đề cương cơ sở thông tin quang 2016

Đề cương ôn tập
A- LÝ THUYẾT
• Tổng quan về hệ thống thông tin quang:
– Sơ đồ khối hệ thống và chức năng
– Ưu - nhược điểm của hệ thống thông tin quang
– Quá trình hấp thụ và phát xạ ánh sáng (phát xạ tự phát và kích thích). Thế nào là ánh sáng kết
hợp và không kết hợp?
• Sợi quang:
– Ưu điểm cơ bản của sợi quang so với cáp kim loại
– Cấu tạo và phân loại sợi quang
– Lan truyền ánh sáng trong các loại sợi quang: Quỹ đạo các tia (xét theo phương pháp quang
hình), Khẩu độ số (khái niệm, ý nghĩa, công thức tính), mode truyền, tần số chuẩn hóa (ý
nghĩa, công thức tính)
– Suy hao: khái niệm, các loại suy hao, đặc tuyến suy hao
– Tán sắc trong sợi quang: khái niệm, các loại tán sắc và ảnh hưởng
• Bộ phát quang:
– Sơ đồ khối và chức năng
– Nguồn quang bán dẫn:
• LED: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính
• LD: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính
– Điều biến nguồn quang
• Bộ thu quang:
– Sơ đồ khối và chức năng
– Diode thu quang:
• Các tham số cơ bản
• Photodiode PIN: cấu tạo và nguyên lý tách sóng
• Photodiode APD: cấu tạo và nguyên lý tách sóng
– Nhiễu và hiệu năng bộ thu quang
B- Bài tập:
Chương 2:
1- Cho sợi quang đơn mode chiết suất bậc có đường kính lõi là 10 m, chiết suất lõi là 1,475 và độ chênh

lệch chiết suất là 0,2%. Xác định vùng hoạt động đơn mode của sợi quang.
2- Hệ thống thông tin quang đơn kênh hoạt động ở tốc độ bit 10Gbps, mã NRZ 50% sử dụng nguồn phát
quang đơn mode ở bước sóng 1550 nm với độ rộng phổ 1nm truyền trên sợi đơn mode tiêu chuẩn SMF
có hệ số tán sắc D=20 ps/nm.km. Hãy tính khoảng cách tối đa mà tại đó bắt đầu xảy ra hiện tượng
xuyên nhiễu giữa các tín hiệu ISI.
3- Cho sợi quang đơn mode có độ lệch chiết suất là 0,2% với chiết suất lõi n1 = 1,48. Hãy xác định đường
kính sợi quang khi biết sợi hoạt động đơn mode tại bước sóng lớn hơn 1,2 µm.
4- Cho sợi quang có độ lệch chiết suất là 0,2% với chiết suất lõi n1 = 1,48. Hãy xác định dải bước sóng để
sợi hoạt động đơn mode khi biết đường kính lõi sợi là 10 µm.
5- Cho sợi quang đơn mode có đường kính lõi sợi là 10 µm. Hãy xác định độ lệch chiết suất của sợi khi
biết chiết suất lõi n1 = 1,475 và bước sóng cắt của sợi là 950 nm.
6- Cho sợi quang đa mode chiết suất bậc (MM-SI) có đường kính lõi 50 µm và hoạt động tại bước sóng
850 nm. Biết số lượng mode truyền trong sợi là khoảng 900 mode, hãy xác định khẩu độ số của sợi
quang này. Nếu biết độ lệch chiết suất của sợi là 1,6%, hãy xác định chiết suất của lõi sợi.
7- Sợi đa mode chiết suất bậc có đường kính lõi 50 µm được thiết kế để giới hạn tán sắc mode chỉ 12
ns/km. Biết chiết suất lõi sợi là 1,45.
a/ Hãy xác định khẩu độ số của sợi quang.
b/ Xác định giới hạn tốc độ truyền dẫn trên 1 km tại bước sóng 850 nm khi giả sử độ dãn xung không
được vượt quá một chu kì bit.
8- Cho sợi quang có đường kính lõi 50 µm và hoạt động tại bước sóng 850 nm. Biết sợi có độ lệch chiết
suất là 2% với chiết suất lớp vỏ n2 = 1,45. Hãy xác định độ dãn xung gây ra bởi tán sắc mode trong các
trường hợp sau:
a/ Sợi có mặt cắt chiết suất bậc.
b/ Sợi có mặt cắt chiết suất biến đổi với hệ số mặt cắt chiết suất  = 2.


c/ Sợi có mặt cắt chiết suất biến đổi với hệ số mặt cắt chiết suất  = 2,5.
9- Cho sợi quang có đường kính lõi 50 µm và hoạt động tại bước sóng 850 nm. Biết sợi có độ lệch chiết
suất là 2% với chiết suất lớp vỏ n2 = 1,45. Hãy xác định số lượng mode khi:
a/ Sợi có mặt cắt chiết suất bậc.

b/ Sợi có mặt cắt chiết suất biến đổi với hệ số mặt cắt chiết suất  = 2.
c/ Sợi có mặt cắt chiết suất biến đổi với hệ số mặt cắt chiết suất  = 2,5.
Chương 3:
1- 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=3.108 m/s.
2- Một hệ thống truyền dẫn sợi quang tại 1,31 µm có độ dài 50 km đòi hỏi mức công suất quang ít nhất 0,3
µW tại bộ thu. Biết suy hao trung bình của tuyến sợi quang là 0,4 dB/km.
a/ Hãy xác định mức công suất quang tối thiểu để phát vào sợi quang.
b/ Mức công suất phát quang tối thiểu vào sợi sẽ phải thay đổi thế nào khi suy hao trung bình của tuyến
sợi quang là 0,5 dB/km.
3- Cho hệ thống truyền dẫn sợi quang tại 1,55 µm có mức công suất phát quang là 1 mW, được truyền qua
tuyến sợi quang dài 90 km với suy hao trung bình là 0,2 dB/km.
a/ Hãy xác định mức công suất quang đi vào bộ thu quang.
b/ Nếu biết hệ thống yêu cầu mức công suất thu nhỏ nhất tại bộ thu là -19 dBm, hãy xác định khoảng
cách tối đa của tuyến truyền dẫn sợi quang.
Chương 4:
1- Một photodiode PIN Si chuyển đổi ánh sáng tại bước sóng 850 nm có công suất đi vào tại bề mặt thu là
0,125 µW thành dòng quang điện tại đầu ra có cường độ 56 nA. Hãy xác định đáp ứng và hiệu suất
lượng tử của nguồn thu quang này.
2- Xét một APD InGaAs có hệ số nhiễu trội x ≈ 0,8 và được phân cực để có hệ số nhân M = 10. Biết dòng
tối khi không được nhân thác Id = 10 nA và độ rộng băng tần hoạt động là 650 MHz. Hãy xác định:
a/ Dòng nhiễu APD khi không có tín hiệu quang.
b/ Mức công suất quang tối thiểu để đạt SNR bằng 9 dB khi biết độ đáp ứng tại M = 1 là 0,8 A/W và giả
thiết không xét nhiễu nhiệt.
3- Một APD Si có hiệu suất lượng tử 70% tại bước sóng 850 nm khi không có quá trình nhân thác (M = 1).
Photodiode này được phân cực để hoạt động với hệ số nhân dòng M = 100. Xác định hệ số đáp ứng của
photodiode và cường độ dòng quang điện được chuyển đổi khi tín hiệu quang đi vào có mức công suất
là 10 nW.
4- Một bộ thu quang số sử dụng APD Si làm việc tại bước sóng 850 nm có các tham số sau :
- Độ rộng băng tần nhiễu hiệu dụng : 75 MHz

- Hiệu suất lượng tử : 75%
- Hệ số khuếch đại là 100. Hệ số nhiễu trội là Mx (x=0,3)
- Dòng tối 0,2 nA. Điện dụng tiếp giáp 6 pF
Biết công suất quang đi tới bộ thu là 10 nW. Xác định :
a) Hệ số đáp ứng của APD
b) Công suất tín hiệu điện, công suất nhiễu nổ, công suất nhiễu nhiệt
c) Tỷ số SNR của bộ thu trong giới giạn nhiễu nổ và giới hạn nhiễu nhiệt
d) Công suất thu nhỏ nhất mà bộ thu có thể đảm bảo BER = 10-12. (giả thiết P0 = 0 và ID được chọn tối
ưu).
5- Bộ thu sử dụng photodiode PIN Si làm việc tại bước sóng 850 nm có các tham số như sau :
- Hiệu suất lượng tử 80%, dòng tối 3 nA
- Hệ số nhiễu khếch đại là 3 dB và nhiệt độ làm việc của bộ thu là 25OC .
- Điện dung tiếp giáp là 6 pF
- Băng tần nhiễu hiệu dụng của bộ thu là 45 MHz.
a) Xác định giá trị rms của dòng nhiễu nổ, dòng nhiễu nhiệt
b) Xác định năng lượng dải cấm dải cấm lớn nhất có thể của vật liệu được sử dụng để chế tạo
photodiode
c) Xác định SNR của bộ thu khi công suất quang đến bộ thu tại bước sóng này là 400nW
d) Giả thiết bộ thu hoạt động trong giới hạn nhiễu nhiệt. Xác định công suất thu tối thiểu yêu cầu để
BER = 10-12. (giả thiết P0 = 0 và ID được chọn tối ưu).


6- Một bộ thu sử dụng photodiode p-i-n hoạt động tại bước sóng 1300 nm trung bình cứ 3 photon đến tạo
ra 2 cặp điện tử - lỗ trống. Bộ thu có băng tần nhiễu hiệu dụng là 50 MHz, điện trở tải của bộ thu là 2
k, hệ số nhiễu khuếch đại của bộ thu là 3dB và nhiệt độ làm việc của bộ thu là 25oC. Công suất quang
đến bộ thu là 1W. Xác định
a) Hiệu suất lượng tử của photodiode
b) Năng lượng vùng cấm cực đại có thể có của photodiode
c) Giá trị SNR của bộ thu. Xác định giá trị SNR khi bộ thu hoạt động ở giới hạn nhiễu nhiệt và giới
hạn nhiễu lượng tử

d) Giả thiết nhiễu nhiệt lớn hơn rất nhiều so với nhiễu nổ. Hãy xác định công suất thu tối thiểu để đạt
BER = 10-12 (giả thiết P0 = 0 và ID được chọn tối ưu).
7- Một bộ thu APD hoạt động ở bước sóng 850 nm có các tham số sau :
- Có hệ số nhiễu trội là Mx (với x = 0,3)
- Hiệu suất lượng tử của bộ thu là 75%
- Dòng tối 10nA và nhiệt độ làm việc của bộ thu là 25oC
- Băng tần nhiễu hiệu dụng của bộ thu là 65 MHz
- Điện dung tiếp giáp là 6pF
Giả thiết trong thời gian 1 giây, có 1010 photon đến bộ thu. Hãy tính :
a) Hệ số đáp ứng của bộ thu
b) Giá trị hệ số nhân để bộ thu đạt giá trị SNR là lớn nhất
c) Dòng photo được tạo ra sau quá trình nhân với hệ số nhân là tối ưu.
d) Xác định giá trị SNR của bộ thu khi hệ số nhân của bộ thu là tối ưu.
8- Bộ thu sử dụng photodiode p-i-n hoạt động tại bước sóng 1310 nm có hiệu suất lượng tử 60%, dòng tối
2 nA. Băng tần nhiễu hiệu dụng của bộ thu là 100 MHz. Điện dung tiếp giáp của bộ thu là 6pF và hình
ảnh nhiễu của bộ khuếch đại là 3 dB. Bộ thu làm việc tại nhiệt độ 25oC. Giả sử công suất quang đến bộ
thu tại bước sóng này là 400 nW.
a) Xác định công suất tín hiệu điện, công suất nhiễu nổ và công suất nhiễu nhiệt.
b) Xác định SNR của bộ thu.
c) Xác định SNR của bộ thu trong giới hạn nhiễu nhiệt và giới hạn nhiễu lượng tử
d) Giả thiết bộ thu làm việc trong giới hạn nhiễu nhiệt. Hãy xác định công suất thu tối thiểu để đạt BER
= 10-9 (P0 = 0 và ID được chọn tối ưu).