Đề cương ôn tập thông tin sợi quang

I. Sợi quang
1. Trình bày những ưu điểm cơ bản của sợi quang so với cáp kim loại:
 Suy hao truyền dẫn nhỏ
 Băng tần truyền dẫn lớn
 Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ
 Kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, chế tạo từ vật liệu có sẵn, độ tin
cậy cao
1
Ôn tập
Kỹ thuật thông tin sợi quang
I. Sợi quang
2. Trình bày cấu tạo chung và phân loại sợi quang
 Vẽ được cấu trúc sợi
 Mô tả hình vẽ
 Phân loại sợi:
- theo chiết suất,
- theo mode truyền,
- theo vật liệu chế tạo
2
I. Sợi quang
3. Nêu khái niệm về khẩu độ số của sợi quang và viết công thức khẩu độ số
của sợi đa mode chiết suất bậc (MM-SI) và chiết suất biến đổi (MM-GI):
 Trình bầy khái niệm, giải thích ý nghĩa khẩu độ số (NA).
+ 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
 Công thức tính NA của sợi đa mode chiết suất bậc (MM-SI) :

Giải thích các tham số n1, n2
 Công thức tính NA của sợi đa mode chiết suất biến đổi (MM-GI) :

Giải thích các tham số n(r), n2

3
2
2
2
1
nnNA 
 
2
2
2
nrnNA 
I. Sợi quang
4. Viết công thức tính số lượng mode lan truyền trong sợi quang đa mode
chiết suất bậc MM-SI và chiết suất biến đổi MM-GI. Số lượng mode
truyền trong sợi phụ thuộc vào các tham số nào cho mỗi loại?
 Công thức tính tham số V: V = 2.

.a.NA/


 Số mode của sợi SI: M = V
2
/2
 Số mode của sợi GI: M = V
2
/4
 Số mode phụ thuộc vào các tham số:
- a: đường kính lõi

-

: bước sóng ánh sáng
- NA là khẩu độ số của sợi quang
4
I. Sợi quang
5. Trình bày điều kiện đơn mode. Viết biểu thức tính bước sóng cắt
 Điều kiện đơn mode: Tần số chuẩn hóa V của sợi quang nhỏ hơn
tần số cắt thứ nhất V
c1
= 2,405
 Tần số chuẩn hóa

 Bước sóng cắt là bước sóng ngắn nhất sợi quang làm việc trong
vùng đơn mode
 Biểu thức:
5
NAaV
2



NAa
V
c
c
.
2




I. Sợi quang
6. Nêu khái niệm về mode ánh sáng, phân loại mode ánh sáng.
- Khái niệm mode:
+ Nghiệm riêng của hệ phương trình Maxwell trong điều kiện
biên xác định
+ Biểu diễn dạng phân bố điện từ trường không đổi lan truyền
trong lõi sợi
- Phân loại: Mode truyền dẫn, mode phát xạ, mode dò
6
I. Sợi quang
7. Nêu khái niệm về suy hao của sợi quang. Viết biểu thức tính hệ số suy
hao.
 Suy hao là sự suy giảm công suất ánh sáng khi lan truyền qua sợi
quang
 Hình vẽ cho phép tính suy hao
 Biểu thức: P
in
= P
out
exp(-αL)
 Hệ số suy hao:
7
)
P
P
log(
L
10
)km/dB(

out
in

I. Sợi quang
8. Nêu khái niệm về tán sắc trong sợi quang. Cho biết ý nghĩa của đơn vị hệ số
tán sắc.
 Tán sắc là hiện tượng làm giãn rộng xung ánh sáng khi lan truyền qua
sợi quang
 Đơn vị hệ số tán sắc: D(ps/km.nm)
 Ý nghĩa: Cho biết độ giãn rộng xung ánh sáng khi nguồn quang có độ
rộng phổ xác định truyền qua một độ dài sợi xác định.
8
I. Sợi quang
9. Trình bày đặc điểm về hệ số tán sắc của sợi quang dịch tán sắc DSF, sợi
quang bù tán sắc DCF và sợi quang tán sắc phẳng.
 Các sợi quang này có phân bố chiết suất khác nhau  đặc điểm tán
sắc khác nhau
 Sợi dịch tán sắc: có tán sắc nhỏ nhất tại cửa số bước sóng 1550nm
 Sợi bù tán sắc: có hệ số tán sắc âm
 Sợi tán sắc phẳng: có hệ số tán sắc xấp xỉ 0 tại một vùng bước sóng
9
I. Sợi quang
10. So với sợi đơn mode, hệ số suy hao và hệ số tán sắc của sợi đa mode có
khác biệt gì.
 Về suy hao:
+ Suy hao sợi đa mode lớn hơn suy hao sợi đơn mode
+ Nguyên nhân: do kích thước sợi đa mode lớn hơn kích thước sợi
đơn mode
 Về tán sắc:
+ Tán sắc sợi đa mode lớn hơn tán sắc sợi đơn mode

+ Nguyên nhân: do sợi đa mode có thêm thành phần tán sắc mode
10
I. Sợi quang
11a. Trình bày cấu tạo và nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi đa mode chiết
suất bậc (MM-SI) theo phương pháp quang hình.
Cấu tạo sợi MM-SI:
+ Hình vẽ mặt cắt chiết suất
+ Kích thước 2.a

50

m; d

125

m
+ Chiết suất lõi và vỏ: n
1
không đổi, n
2
không đổi, n
2
< n
1

Sự lan truyền của ánh sáng trong sợi:
+ Hình vẽ sự lan truyền các tia sáng
+ 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.
11
I. Sợi quang
11b. Trình bày cấu tạo và nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi đa mode chiết
suất biến đổi (MM-GI) theo phương pháp quang hình.
 Cấu tạo sợi MM-GI:
+ Hình vẽ mặt cắt chiết suất
+ Kích thước 2.a

50

m; d

125

m
+ Chiết suất lõi và vỏ: n
1
thay đổi n
1
=n(r) , n
2
không đổi, n
2
< n
1

 Sự lan truyền của ánh sáng trong sợi:
+ Hình vẽ sự lan truyền các tia sáng
+ Tia sáng lan truyền có dạng đường cong

+ Truyền đa mode, tán sắc nhỏ hơn tán sắc sợi MM-SI.
12
I. Sợi quang
12. Hãy tính tán sắc mode của sợi đa mode chiết suất bậc dựa theo nguyên lý
truyền ánh sáng trong sợi theo phương pháp quang hình.
 Sự lan truyền của ánh sáng trong sợi MM-SI:
+ Hình vẽ sự lan truyền các tia sáng
+ Xác định được tia có quãng đường truyền ngắn nhất: truyền dọc
theo trục sợi
+ Xác định được tia có quãng đường truyền dài nhất: tương ứng với tia
có góc vào đầu sợi bằng NA
 Tính tán sắc mode
+ Viết biểu thức thời gian truyền của tia ngắn nhất
+ Viết biểu thức thời gian truyền của tia dài nhất
+ Tán sắc mode bằng hiệu thời gian truyền
13
I. Sợi quang
13. Trình bày các nguyên nhân gây ra suy hao và vẽ đặc tính suy hao của sợi
đơn mode tiêu chuẩn
 Khái niệm suy hao trong sợi quang:
Khi ánh sáng lan truyền trong sợi quang, công suất ánh sáng giảm dần.
 Các nguyên nhân gây ra suy hao:
+ Suy hao do hấp thụ
- Suy hao do vật liệu chế tạo sợi quang (SiO
2
) hấp thụ ánh sáng.
- Suy hao do tạp chất: ion kim loại (Fe
+
, Cu
+

…) và ion OH
-

- Suy hao do hấp thụ IF, hấp thu UV
+ Suy hao do tán xạ
- Tán xạ Rayleigh: do các khiếm khuyết rất nhỏ trong quá trình
chế tạo.
- Suy hao do đường kính lõi thay đổi, do uốn cong…
 Vẽ đặc tuyến suy hao sợi
+ Hình vẽ
+ Chú thích đầy đủ
14
I. Sợi quang
14. Trình bày các loại tán sắc trong sợi quang đơn mode và nêu ảnh hưởng của
tán sắc.
 Khái niệm tán sắc trong sợi quang:
Khi ánh sáng lan truyền trong sợi quang, độ rộng xung ánh sáng thay đổi.
 Các loại tán sắc trong sợi đơn mode:
+ Tán sắc vật liệu: do chiết suất lõi sợi quang phụ thuộc bước sóng n
= n(

) mà ánh sáng nguồn quang phát ra bao gồm nhiều bước sang
dẫn đến thời gian lan truyền của các bước sóng sẽ khác nhau

gây
ra tán sắc.
+ Tán sắc ống dẫn sóng: do ánh sáng lan truyền trong cả lõi và vỏ sợi
quang. Thành phần lan truyền ngoài vỏ đi nhanh hơn. Ảnh hưởng
chủ yếu trong sợi SM.
+ Tán sắc mode phân cực

 Hình vẽ đặc tính tán sắc sợi đơn mode
 Ảnh hưởng của tán sắc:
+ Gây ra nhiễu ISI
+ Giới hạn tốc độ bit truyền trên sợi
15
II. Một số vấn đề vật lý cơ bản
1. Khái niệm chất bán dẫn. Nêu sự khác nhau của bán dẫn loại p và bán dẫn
loại n.
 Chất bán dẫn:
+ Là vật liệu có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó nhưng ở điều
kiện khác lại là chất cách điện (ví dụ theo nhiệt độ)
+ Các vùng năng lượng: vùng hóa trị, vùng dẫn, dải cấm
 Bán dẫn loại p: nồng độ lỗ trống nhiều hơn nồng độ điện tử
 Bán dẫn loại n: nồng độ lỗ trống ít hơn nồng độ điện tử
16
II. Một số vấn đề vật lý cơ bản
2. Trình bày quá trình phân cực thuận và phân cực ngược cho tiếp giáp p-n.
 Khi chưa phân cực
+ Hình vẽ tiếp giáp p - n
+ Quá trình dịch chuyển của điện tử và lỗ trống
 Khi phân cực thuận
+ Hình vẽ tiếp giáp p-n, dương nguồn nối với p, âm nguồn nối với n
+ Sự xuất hiện của điện trường ngoài
 Khi phân cực ngược
+ Hình vẽ tiếp giáp p-n, âm nguồn nối với p, dương nguồn nối với n
+ Sự xuất hiện của điện trường ngoài
17
II. Một số vấn đề vật lý cơ bản
3. Tính tần số ánh sáng và năng lượng photon tương ứng với bước sóng
1310nm. Cho biết hằng số Plank h=6,625.10

-34
J.s và vận tốc ánh sáng
trong chân không c=3.10
8
m/s.
 Tính tần số ánh sáng: f = c/ (chuyển về cùng đơn vị)
 Tính năng lượng photon: E = h.f
18
II. Một số vấn đề vật lý cơ bản
4. Trình bày khái niệm về cấu trúc dị thể, cấu trúc dị thể kép.
 Cấu trúc dị thể:
+ Hình vẽ tiếp giáp p - n
+ Năng lượng dải cấm của bán dẫn p và bán dẫn n khác nhau
 Cấu trúc dị thể kép
+ Hình vẽ cấu trúc dị thể kép
+ Cấu trúc dị thể kép gồm hai cấu trúc dị thể liên tiếp
19
II. Mt s vn vt lý c bn
5. Gii thớch hin tng o mt xut hin trong quỏ trỡnh phỏt x ca LD

- ặt một điện thế phân cực thun (có chiều dòng điện hớng từ lớp p
sang lớp n).
- Khi đó, các điện tử từ lớp n bị kéo về cực dơng và chuyển dời vào vùng
hoạt chất, trong khi đó các lỗ trống ở lớp p bị kéo về cực âm và cùng
chuyển dời vào vùng hoạt chất.
- Các điện tử và lỗ trống chuyển dời vào vùng hoạt chất bị giam trong lớp
hoạt chất này và do hàng rào dị thể. Từ đó tạo nên đảo lộn mật độ.
20
II. Một số vấn đề vật lý cơ bản
6. Hãy giải thích các quá trình hấp thụ và phát xạ ánh sáng (phát xạ tự phát và phát xạ kích

thích). Cho biết thế nào là ánh sáng kết hợp và ánh sáng không kết hợp.
Quá trình hấp thụ ánh sáng:
+ Vẽ hình mô tả quá trình hấp thụ
+ Điện tử ở mức năng lượng thấp E
1
được kích thích bởi một nguồn năng lượng (ví dụ
điện năng, nhiệt năng, …) nhảy lên mức năng lượng cao hơn E
2

Quá trình phát xạ tự phát:
+ Vẽ hình mô tả quá trình phát xạ tự phát
+ Điện tử ở mức năng lượng cao E
2
sau một thời gian tồn tại sẽ nhảy về mức năng
lượng thấp hơn E
1
, phát ra photon ánh sáng có năng lượng bằng E
2
– E
1
, có pha và
hướng ngẫu nhiên
Quá trình phát xạ kích thích:
+ Vẽ hình mô tả quá trình phát kích thích
+ Photon ánh sáng kích thích một điện tử đang ở mức năng lượng cao E
2
làm cho điện
tử nhảy về mức năng lượng thấp hơn E
1
, phát ra photon ánh sáng thứ cấp có cùng

pha, cùng tần số với ánh sáng kích thích.
Giải thích ánh sáng kết hợp, ánh sáng không kết hợp
+ Ánh sáng không kết hợp: trong quá trình phát xạ tự phát ánh sáng phát ra ngẫu nhiên
(không có quan hệ về pha giữa các photon, và hướng phát xạ là ngẫu nhiên).
+ Ánh sáng kết hợp: trong quá trình phát xạ kích thích photon ánh sáng thứ cấp phát ra
có cùng tần số, cùng phân cực và hướng truyền với phương truyền sóng.
21
II. Mt s vn vt lý c bn
7. Trỡnh by nguyờn lý phỏt x ỏnh sỏng ca tip giỏp p-n.

V c hỡnh mụ t quỏ trỡnh phỏt x ỏnh sỏng v chỳ thớch y
Nguyờn lý phỏt x ỏnh sỏng:
+ Khi cha cp ngun phõn cc:
+ Khi có điện trờng ngoài tác động, các điện tử dịch chuyển từ bán
dẫn n sang p và ngợc lại lỗ trống dịch chuyển từ p sang n.
Trong quá trỡnh dịch chuyển, lỗ trống và điện tử tái hợp với nhau và
giải phóng ra nng lợng ánh sáng dới dạng sóng điện từ
+ Photon ỏnh sỏng cú bc súng:
BX
= h.c. / (E
c
E
v
)
22
II. Một số vấn đề vật lý cơ bản
8. Trình bày nguyên lý chuyển đổi quang điện của tiếp giáp p-n.

 Vẽ được hình mô tả quá trình chuyển đổi quang điện và chú thích đầy đủ
 Nguyên lý chuyển đổi quang điện:

+ Khi chưa có ánh sáng chiếu vào: có dòng tối
+ Khi có ánh sáng chiếu vào: photon bị hấp thụ sinh ra cặp lỗ trống -
điện tử, dưới tác động của điện trường ngoài điện tử chuyển động về
phía n và lỗ trống chuyển động về phía p tạo thành dòng điện trong
mạch.
+ Kích thước vùng nghèo nhỏ nên hiệu suất chuyển đổi O/E thấp.
23
III. Phát quang
1. Trình bày các đặc tính và tham số cơ bản của LED.
 Công suất ánh sáng bức xạ
 Các tích chất ánh sáng
 Đặc tuyến tĩnh phát xạ ánh sáng

24
 Công suất ánh sáng bức xạ của LED
Công suất ánh sáng bức xạ của LED được xác định theo công thức:

là độ dốc của đặc tuyến tính P – I của LED tại điểm
công tác (P
0P
, I
0P
) của LED (sẽ trình bầy ở nội dung
sau). Trong thực tế, H
P-LED
= 1- 50 w/mA.
)(.)(
0
tiHPtP
DLEDPPLEDP 


D
I
D
I
D
LEDP
LEDP
dI
dP
H
0




Trong đó:
i
D
(t) là dòng điện điều khiển (tín hiệu truyền dẫn) LED
1. Trình bày các đặc tính và tham số cơ bản của LED (tiếp theo)