10.BaiTapTTQ1 Chuong4 [PDF]

Zitiervorschau

BÀI TẬP THÔNG TIN QUANG 1 CHƯƠNG 4 BỘ THU QUANG 4.1.

Một photodiode PIN trung bình tạo ra 1 cặp electron – lỗ trống khi có 3 photon tới ở bƣớc sóng 800nm. Giả sử tất cả các electron này đều nhận đƣợc, tính: (a) Hiệu suất lƣợng tử của linh kiện. (b) Độ rộng vùng cấm tối đa. (c) Dòng điện ngõ ra khi công suất quang thu đƣợc là 10-7W

4.2.

Phân tích quá trình tách sóng của photodiode P-N. So sánh linh kiện này với PIN.

4.3.

Một photodiode P-N có hiệu suất lƣợng tử 50% ở bƣớc sóng 900nm. Tính: (a) Đáp ứng của linh kiện ở bƣớc sóng 900nm (b) Công suất quang thu đƣợc nếu dòng điện ngõ ra là 10-6A (c) Số photon thu đƣợc ứng với bƣớc sóng này.

4.4.

Khi 800 photon/s tới photondiode PIN hoạt động ở bƣớc sóng 1300nm tạo ra trung bình 550 electron/s. Tính đáp ứng của linh kiện.

4.5.

Phân tích các nguồn nhiễu trong bộ thu quang

4.6.

Một photodiode Si có đáp ứng 0,5A/W ở bƣớc sóng 850nm. Xác định công suất quang tối thiểu tới linh kiện để duy trì BER = 10-7 khi tốc độ hoạt động tối ƣu ở 25Mbit/s

4.7.

Cho hệ thống quang analog cần SNR = 40dB ở bộ thu có băng thông sau tách sóng 30MHz. Tính công suất quang tối thiểu cần thiết ở bộ tách sóng nếu hoạt động ở bƣớc sóng 0,9m có hiệu suất lƣợng tử 70%.

4.8.

Một tuyến quang số áp dụng bộ xử số lý tƣởng hoạt động ở tốc độ 50Mbit/s, bƣớc sóng 1,4m. Bộ tách sóng là photodiode Ge có hiệu suất lƣợng tử 45% ở bƣớc sóng này. Cảnh báo đƣợc kích hoạt ở bộ thu khi BER > 10-5. Tính công suất quang tối thiểu cần thiết ở bộ thu để giữ cho cảnh báo không kích hoạt.

4.9.

Photodiode PIN có hiệu suất lƣợng tử 65% ở bƣớc sóng 800nm. Xác định: (a) Dòng điện tách sóng đƣợc của PIN nếu công suất quang tới là 5W ở bƣớc sóng trên. (b) Dòng nhiễu lƣợng tử rms với băng thông sau tách sóng là 20MHz (c) SNR theo dB khi dòng điện tách đƣợc là tín hiệu.

4.10. Một bộ thu quang hoạt động ở bƣớc sóng 1,55m sử dụng photodiode Ge có dòng tối 500nA ở nhiệt độ hoạt động. Khi công suất quang tới ở bƣớc sóng này là 10-6W và đáp ứng của linh kiện là 0,6A/W thì nhiễu bắn trong bộ thu là chủ yếu. Xác định SNR (theo dB) ở bộ thu khi băng thông sau điều chế là 100MHz. 4.11. Phát triển mối quan hệ giữa xác suất lỗi bit với SNR thu đƣợc của hệ thống quang nhị phân dải nền. Có thể giả sử số bit 1 và 0 bằng nhau và ngƣỡng quyết định đƣợc đặt giữa mức 1 và 0. SNR điện ở bộ thu quang số là 20,4dB. Xác định: (a) SNR quang (b) BER

4.12. Bộ tách sóng APD Si đƣợc sử dụng trong bộ thu PCM dải nền có ngƣỡng ngƣỡng quyết định nằm giữa mức 1 và 0. Linh kiện có hiệu suất lƣợng tử 70 và tốc độ ion hóa sóng mang là 0,05. Khi hoạt động APD có hệ số nhân thác lũ 65. Giả sử phổ tín hiệu có dang cosine. (a) Xác định số photon cần thiết đến bộ thu để xác định bit 1 với BER = 10-10 (b) Tính công suất quang đến bộ thu khi hệ thống hoạt động ở bƣớc sóng 900nm và truyền dẫn ở tốc độ 34Mbit/s (c) Kết quả câu (b) thay đổi nhƣ thế nào nếu mã đƣờng truyền là 3B4B. 4.13. Một photodiode PIN cần 2.104 photon đến để xác định bit 1 với BER = 10-9. Linh kiện có hiệu suất lƣợng tử 65%. Xác định mức tín hiệu cần thiết để duy trì BER = 10-9 4.14. Một hệ thống truyền dẫn quang sử dụng LED làm bộ phát, phóng công suất 300W ở bƣớc sóng 800nm vào sợi quang. Cáp có suy hao 4dB/km (bao gồm cả kết nối). Bộ thu APD cần 1200 hạt photon tới để xác định bit 1 với BER = 10-10. Xác định khoảng cách truyền cực đại (không có Repeater) của hệ thống trong 2 trƣờng hợp để duy trình BER nhƣ trên: (a) Tốc độ truyền 1Mbit/s (b) Tốc độ truyền 1 Gbit/s 4.15. TÓM TẮT CHƢƠNG 4 1. Hiệu suất lƣợng tử  = (số electron thu nhận đƣợc)/(số photon tới) = re/rp

(4.1)

Với rp tốc độ photon tới (số photon/s) và re tốc độ electron tƣơng ứng (số electron/s) 2. Đáp ứng R = Ip/P0 (A/W)

(4.2)

Với Ip (A) là dòng điện ngõ ra khi công suất quang tới là P0 (W) Năng lƣợng của một photon E = hf. Do đó rp (số photon/s) có thể đƣợc viết nhƣ sau: rp = P0/hf

(4.3)

Suy ra: re = rp = P0/hf

(4.4)

Do đó dòng điện Ip ở mạch ngoài là: Ip = e.re = eP0/hf

(4.5)

Từ đó có đƣợc: R = e/hf =e/hC

(4.6)

3. Bƣớc sóng cắt dài Điều kiện để quá trình hấp thụ xảy ra trong lớp bán dẫn là năng lƣợng photon tới phải lớn hơn hoặc bằng độ rộng vùng cấm: hc/  Eg

(4/7)

Hay   hc/Eg

(4.8)

Vế phải của (4.8) đƣợc gọi là bƣớc sóng cắt dài: c = hc/Eg

(4.9)

4. Nhiễu Nhiễu nhiệt:

4.1.

4 KT .B (4.10) R K: hằng số Bolzmann; T: nhiệt độ tuyệt đối; B: băng thông sau tách sóng (băng thông điện)  I t2 

Nhiễu dòng tối:

4.2.

 I d2  2e.I d .B e: điện tích của điện tử; Id: dòng tối

(4.11)

Nhiễu lƣợng tử:

4.3.

 I q2  2e.R.P0 .B  2e.I p .B

(4.12)

Số electron đƣợc tạo ra trong khoảng thời gian  bằng với số photon trung bình đƣợc tách sóng trong khoảng thời gian này:

(4.13) Trong hệ thống analog, nhiễu lƣợng tử đóng vai trò chính trong nhiễu bắn. Do đó đại lƣợng SNR đƣợc xác định nhƣ sau: SNR = (công suất t/h)/(công suất nhiễu) (công suất t/h) = (Ip)2 (công suất nhiễu) = (công suất nhiễu lƣợng tử) = 2eBIp Suy ra:

(4.14) Hay

(4.15) 4.4.

Bộ thu sử dụng PIN:

Nhiễu bắn đƣợc xác định:

 I S2  I q2    I d2  2eB.( I p  I d )

(4.16) Với mô hình bộ thu nhƣ sau:

Thì SNR đƣợc xác định:

(4.17) Với Fn đƣợc gọi là hệ số nhiễu của bộ khuếch đại 4.5.

Bộ thu sử dụng APD: SNR 

(I p )2  I N2 



( RP0 ) 2 M 2 2e( I p  I d ) BM 2 F ( M )  4 KTFnB / RL

(4.18)

Nếu bộ thu sử dụng PIN, M và F(M) bằng 1 Với F(M) là hệ số nhiễu vƣợt mức

(4.19) k là hệ số ion hóa hạt mang điện. Đối với APD Si, k có giá trị từ 0,02 đến 0,1; APD Ge và các hợp chất thuộc nhóm III-V thì k có giá trị từ 0,3 đến 1. Do trong APD có cơ chế thác lũ nên ảnh hƣởng nhiễu nhiệt sẽ không đáng kể so với nhiễu bắn. Ngoài ra do Ip >> Id nên biểu thức (4.18) có thể viết gần đúng:

(4.20) Gọi zm là số photon trung bình tới APD trong khoảng thời gian  và  là hiệu suất lƣợng tử thì Ip = zm.e./

(4.21)

Từ đó suy ra:

(4.22) Hay

(4.23) Nếu xung và phổ có dạng cosin (hình vẽ) thì B  0.6

Công suất quang P0 cần thiết đến bộ thu đƣợc xác định theo công thức: P0 = E0/ = zmhf/2 = zmhfRT/2 Với RT là tốc độ bit có của hệ thống có độ rộng xung là . 5.

(4.24)