BÀI TẬP THÔNG TIN QUANG 1CHƯƠNG 4 BỘ THU QUANG

4.1. Một photodiode PIN trung bình tạo ra 1 cặp electron – lỗ trống khi có 3 photon tới ở bước sóng 800nm. Giả sử tất cả các electron này đều nhận được, tính:

(a) Hiệu suất lượng tử của linh kiện.

(b) Độ rộng vùng cấm tối đa.

(c) Dòng điện ngõ ra khi công suất quang thu được 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 lượng tử 50% ở bước sóng 900nm. Tính:

(a) Đáp ứng của linh kiện ở bước sóng 900nm

(b) Công suất quang thu được nếu dòng điện ngõ ra là 10-6A

(c) Số photon thu được ứng với bước sóng này.

4.4. Khi 800 photon/s tới photondiode PIN hoạt động ở bước 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 bước sóng 850nm. Xác định công suất quang tối thiểu tới linh kiện để duy trì BER = 10-7 khi tốc độ hoạt động tối ưu 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 bước sóng 0,9µm có hiệu suất lượng tử 70%.

4.8. Một tuyến quang số áp dụng bộ xử số lý tưởng hoạt động ở tốc độ 50Mbit/s, bước sóng 1,4µm. Bộ tách sóng là photodiode Ge có hiệu suất lượng tử 45% ở bước sóng này. Cảnh báo được 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 lượng tử 65% ở bước sóng 800nm. Xác định:

(a) Dòng điện tách sóng được của PIN nếu công suất quang tới là 5µW ở bước sóng trên.

(b) Dòng nhiễu lượng tử rms với băng thông sau tách sóng là 20MHz

(c) SNR theo dB khi dòng điện tách được là tín hiệu.

4.10. Một bộ thu quang hoạt động ở bước sóng 1,55µm sử dụng photodiode Ge có dòng tối 500nA ở nhiệt độ hoạt động. Khi công suất quang tới ở bước 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 được của hệ thống quang nhị phân dải nền. Có thể giả sử số bit 1 và o bằng nhau và ngưỡng quyết định được 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 được sử dụng trong bộ thu PCM dải nền có ngưỡng ngưỡng quyết định nằm giữa mức 1 và 0. Linh kiện có hiệu suất lượng 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 bước sóng 900nm và truyền dẫn ở tốc độ 34Mbit/s

(c) Kết quả câu (b) thay đổi như thế nào nếu mã đường 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 lượng 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 300µW ở bước 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 trường hợp để duy trình BER như trên:

(a) Tốc độ truyền 1Mbit/s

(b) Tốc độ truyền 1 Gbit/s

4.15.

TÓM TẮT CHƯƠNG 4

1. Hiệu suất lượng tử

η = (số electron thu nhận được)/(số photon tới) = re/rp (4.1)

Với rp tốc độ photon tới (số photon/s) và re tốc độ electron tương 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 lượng của một photon E = hf. Do đó rp (số photon/s) có thể được viết như sau:

rp = P0/hf (4.3)

Suy ra:

re = ηrp = ηP0/hf (4.4)

Do đó dòng điện Ip ở mạch ngoài là:

Ip = e.re = ηeP0/hf (4.5)

Từ đó có được:

R = ηe/hf =ηeλ/hC (4.6)

3. Bước sóng cắt dài

Điều kiện để quá trình hấp thụ xảy ra trong lớp bán dẫn là năng lượng photon tới phải lớn hơn hoặc bằng độ rộng vùng cấm:

hc/λ ≥ Eg (4/7)

Hay

λ ≤ hc/Eg (4.8)

Vế phải của (4.8) được gọi là bước sóng cắt dài:

λc = hc/Eg (4.9)

4. Nhiễu

4.1. Nhiễu nhiệt:

(4.10)

K: hằng số Bolzmann; T: nhiệt độ tuyệt đối; B: băng thông sau tách sóng (băng thông điện)

4.2. Nhiễu dòng tối:

(4.11)

e: điện tích của điện tử; Id: dòng tối

4.3. Nhiễu lượng tử:

(4.12)

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

(4.13)

Trong hệ thống analog, nhiễu lượng tử đóng vai trò chính trong nhiễu bắn. Do đó đại lượng SNR được xác định như sau:

SNR = (công suất t/h)/(công suất nhiễu)

(công suất t/h) = (Ip)2

(công suất nhiễu) = (công suất nhiễu lượng tử) = 2eBIp

Suy ra:

(4.14)

Hay

(4.15)

4.4. Bộ thu sử dụng PIN:

Nhiễu bắn được xác định:

BIeI dd ..22 >=<

BIeBPReI pq ..2...2 02 =>=<

BR

KTI t .

42 >=<

).(2222dpdqS IIeBIII +>=<+>>=<<

(4.16)

Với mô hình bộ thu như sau:

Thì SNR được xác định:

(4.17)

Với Fn được gọi là hệ số nhiễu của bộ khuếch đại

4.5. Bộ thu sử dụng APD:

(4.18)

Nếu bộ thu sử dụng PIN, M và F(M) bằng 1

Với F(M) là hệ số nhiễu vượt 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 hưởng 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 τ và η là hiệu suất lượng tử thì

Ip = zm.e.η/τ (4.21)

Từ đó suy ra:

(4.22)

Hay

LdpN

p

RKTFnBMFBMIIe

MRP

I

ISNR

/4)()(2

)()(2

220

2

2

++=

><=

(4.23)

Nếu xung và phổ có dạng cosin (hình vẽ) thì Bτ ≈ 0.6

Công suất quang P0 cần thiết đến bộ thu được xác định theo công thức:

P0 = E0/ = zmhf/2τ = zmhfRT/2 (4.24)

Với RT là tốc độ bit có của hệ thống có độ rộng xung là τ.

5.