MÔN THÔNG TIN QUANG
1) Phân tích hoạt động của Led
- hoạt động dựa trên tiếp giáp pn được phân cực thuận . khi đặt hai lớp bán dẫn p và n kế nhau, tại lớp tiếp giáp p- n , các điện tử ở bán dẫn n sẽ khuếch tán sang bán dẫn p để kết hợp với lỗ trống. Kết quả là , tại lớp p-n tạo nên 1 vùng có rất ít các hạt mang điện được gọi là vùng hiếm. Tại đây bán dẫn n mất đi 1 số các điện tử nên mang điện tích dương, còn lớp p nhận thêm 1 số điện tử nên mang điện tích âm. Điều này tạo nên 1 điện trường VD ngăn không cho các hạt mang điện khuếch tán qua lại giữa bán dẫn p và n. khi phân cực thuận các điện tử trong bán dẫn n sẽ vượt qua vùng tiếp giáp p-n và chạy về phía cực dương nguồn điện, đồng thời các lỗ trống sẽ về phía cực âm nguồn điện. tạo thành dòng điện chạy qua bán dẫn p-n. trong quá trình điện tử từ bán dẫn n chạy về điện cực dương, các điện tử có thể gặp các lỗ trống tại bán dẫn p. Khi đó, các điện tử và lỗ trống sẽ kết hợp với nhau tạo liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử trong bán dẫn.
2) Phân tích hoạt động của laser
- nguyên lý hoạt động của laser dựa trên 2 hiện tượng:
+ hiện tượng phát xạ kích thích: tạo ra sự khuếch đại ánh sáng trong laser . khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích, photo ánh sáng kích thích điện tử ở vùng dẫn tạo ra một photo thứ hai , hai photo này tiếp tục quá trình phát xạ kích thích để tạo ra nhiều photo hơn nữa theo cấp số nhân. Các photo này được tạo ra có tính kết hợp , như vậy ánh sáng kết hợp được khuếch đại .
+ Hiện tượng cộng hưởng của sóng ánh sáng khi lan truyền trong laser, quá trình chọn lọc tần số ánh sáng. Theo đó, chỉ những bước sóng ánh sáng có tần số đủ điều kiện về pha của hốc cộng hưởng thì mới có thể lan truyền và cộng hưởng trong hốc cộng hưởng được.vậy số sóng ánh sáng do laser Fabry – perot phát xạ bị giới hạn , làm giảm độ rộng phổ laser so với LED.
3) So sánh dải cấm năng lượng trực tiếp và giải cấm năng lượng gián tiếp của nguồn quang bán dẫn.
- dải cấm năng lượng gián tiếp:Độ rộng vùng trôi w nằm trong khoảng 20 ÷ 50μm để đảm bảo về hiệu suất lượng tử.Băng tần của các photodiode như vậy bị giới hạn do thời gian dịch chuyển tương đối lâu
- dải cấm năng lượng trực tiếp: Độ rộng vùng trôi w có thể nhỏ tới 3 ÷ 5μm.Độ rộng băng được cải thiện
4 A. hiện tượng phát xạ tự phát là gì? Điều kiện để xảy ra nó, linh kiện nào có cấu tạo dựa trên hiện tượng này?
- hiện tượng phát xạ tự phát là: xảy ra khi 1 điện tử chuyển sang trạng thái năng lượng từ mức năng lương cao xuống mức năng lương thấp và phát ra 1 năng lượng dưới dạng photo ánh sáng,quá trình này xảy ra 1 cách tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao.
- điều kiện xảy ra phát xạ tự phát: xảy ra tự nhiên do các điện tử luôn có khuynh hướng chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái ổn định có năng lượng thấp. Các photo ánh sáng do hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra 1 cách ngẫu nhiên theo thời gian và không gian, do đó , pha, tần số, hướng truyền cũng như phân cực của sóng ánh sáng được tạo ra cũng ngẫu nhiênvì vậy ánh sáng do phát xạ tự phát tạo ra không có tính kết hợp.
- linh kiện có cấu tạo dựa trên hiện tượng này là: phát xạ tự phát là nguyên lý biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng xảy ra trong LED,vì vậy ánh sáng do led phát ra không có tính kết hợp.
B. trình bày khái niệm về mức năng lượng và vùng năng lượng.
- khái niệm mức năng lượng: Các mức năng lượng có thể hiểu là tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của electron xung quanh hạt nhân. Electron ở bên ngoài sẽ có mức năng lượng cao hơn những electron ở phía trong. Khi có sự tác động vật lý hay hóa học từ bên ngoài, các hạt electron này cũng có thể nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hay ngược lại. Các quá trình này có thể sinh ra hay hấp thụ các tia sáng (photon).
- vùng năng lượng: trong chất bán dẫn các mức năng lượng vẫn rời rạc nhưng chúng rất gần nhau và được xem như 1 vùng năng lượng. các điện tử phân bố trong hai vùng năng lượng tách biệt nhau được gọi là :vùng hóa trị và vùng dẫn. vùng hóa trị là vùng có năng lượng thấp và là vùng năng lượng bền vững của điện tử.vùng dẫn là vùng có mức năng lượng cao hơn của các electron.
5) a) các thành phần nào ta cần quan tâm trong bộ thu quang?
• - Tỷ số lỗi bit trong bộ thu quang
Trong đó:
Ne: số các bit lỗi xảy ra
Nt : số bit tổng cộng được truyền
BER=p(0).P(1/0)+p(1)P(0/1)
• Độ nhạy
q Độ nhạy là mức công suất quang nhỏ nhất yêu cầu ở đầu thu để đạt được mức chất lượng cho trước
q Độ nhạy bị tác động bởi các tham số gì????????
q 1 máy thu quang có độ nhạy S = -20dBm với BER = 10-9 có nghĩa là: mức công suất quang cần thiết đến bộ thu phải sớm hơn hoặc bằng – 20dB thì máy thu mới có thể thu và hoạt động với mức chất lượng BER= 10^-9. nếu tín hiệu có mức công suất đến máy thu nhỏ hơn thì máy thu cũng có thể nhận được nhưng không đảm bảo BER = 10^-9 , BER có thể lớn hơn BER=10^-6.
q Phương pháp để BER có giá trị nhỏ???????????????
q BER phụ thuộc vào các thông số nào?????????
· Tỷ số SNR càng cao thì bộ thu quang càng có được độ nhạy cao hơn. Tại sao????????
➜ Độ nhạy của bộ thu quang luôn bị rằng buộc bởi tỷ số lỗi bit BER. Tại sao??
➜ Giới hạn lượng tử trong tách sóng quang.
➜ Tỷ số phân biệt. Tại sao??
➜ Nhiễu cường độ RIN và jitter thời gian Phân tích đặc điểm của tham số “giới hạn lượng tử” ?
+ Độ nhạy của bộ thu quang có bao gồm những mất mát về công suất liên quan đến tán sắc, hoặc các phản xạ từ các luồng quang, jitter không?
· Tỷ số SNR
• Nhiễu bộ tách sóng quang sinh ra từ bản chất thống kê của quá trình biến đổi photon thành điện tử
• Nhiễu nhiệt có liên quang tới các mạch khuếch đại điện trong bộ thu.Các yêu cầu với bộ tách sóng quang
q Bộ tách sóng quang cần có hiệu suất lượng tử cao để phát ra công suất tín hiệu lớn.
q Nhiễu của bộ tách sóng quang và bộ khuếch đại điện phải càng thấp càng tốt.
• Ip – dòng trung bình của bộ tách sóng quang và Ip = R.Pin (photodiode pin)
• σ2 – nhiễu tổng cộng
· SNR của photodiode p-i-n là tốt hơn hay APD là tốt hơn??????
· Mối quan hệ giữa SNR và BER?????????
· Dải động là gì?
+ dải động của 1 linh kiện thu quang là khoảng chêng lệch giữa mức công suất cao nhất và mức công suất thấp nhất mà linh kiện có thể thu nhận được trong 1 giới hạn tỷ số lỗi nhất định.
>>>> Tại sao có thể tính: dải động là tỷ lệ giữa mức công suất lớn nhất và công suất của nhiễu??
b) thế nào là nhiễu lượng tử, Nhiễu dòng tối., nhiễu nỗ , nhiễu xuyên kênh, nhiễu nhiệt.
- nhiễu lượng tử: sinh ra do sự biến động ngẫu nhiên năng lượng của các photon đập vào diode thu quang, dòng nhiễu lượng tử được xác định theo biểu thức
Iq^2 = 2e.R.P0.B = 2e.Ip.B
- nhiễu dòng tối: khi chưa có công suất quang đưa tới photodetector nhưng vẫn có 1 lượng dòng điện nhỏ chảy trong mạch, dòng này gọi là dòng dong tối. nó phân phối đến nhiễu toàn hệ thống và cho sự dao động ngẫu nhiên.dong tối được xác định.
Iq^2 = 2.e.Id.B
Id: dòng tối
e: điện tích của electron
- nhiễu nỗ: được xem là tổng hợp của nhiễu lượng tử và nhiễu dòng tối
- nhiễu nhiệt: là nhiễu gây ra do điện trở tải của diode thu quang cũng như trở kháng đầu vào của bộ tiền khuếch đại.thực tế bộ thu còn chứa nhiều linh kiện điện tử khác và nó cũng sinh ra nhiễu. Nhiễu nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ.
- nhiễu xuyên kênh: ????????????
6) cấu trúc và hoạt động của photodiot PIN
- cấu trúc:
+ Gồm các vùng p và n được cách nhau bởi 1 vùng i.
+ Lớp i đóng vai trò giống như vùng hiếm trong mối nối p-n nhưng có chiều dài lớn hơn nhằm tăng hiệu suất hấp thụ photon tới.
+ Lớp i nằm giữa có trở kháng cao và hầu hết điện áp đặt vào phần ngang của nó. Do đó một điện trường lớn tồn tại ở lớp i.
- hoạt động của photodiode p-i-n: sử dụng phân cực ngược , làm cho quá trình trôi diễn ra nhanh, lớp I đóng vai trò là vùng nghèo , chuyển tiếp điện tử vùng n sang vùng p, và lỗ trống p sang n. photodiode dựa trên hiện tượng hấp thụ.
+ Khi 1 photon tới mang 1 năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm của vật liệu bán dẫn dùng để chế tạo ra photodiode thì xảy ra hiện tượng, có thể vượt qua vùng cấm để di chuyển từ p sang n , và sẽ phát ra năng lượng để di chuyển từ n sang p tạo ra cặp năng lượng tử tự do , tạo liên kết hóa trị gọi là sự ion hóa.
7) cấu trúc và hoạt động của photodiot APD, ưu và nhược điểm của APD so với PIN?
· Cấu trúc : Cấu trúc cận xuyên p+ipn+ bởi vì lớp i là lớp vật liệu tự dẫn có pha tạp 1 chút p.
+ P+,N+ là 2 lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất cao, nên điện trở của 2 vùng này nhỏ,do đó áp rơi rất nhỏ.
+ П là vùng có nồng độ tạp chất rất ít và gần như tinh khiết . nó giống như lớp I của PIN ,hầu như tất cả các photon bị hấp thu trong vùng này. Và tạo ra các cặp lỗ trống điện tử tự do.
· hoạt động của photodiot APD: Hạt mang quang sẽ được tăng dần năng lượng tới mức đủ lớn để ion hóa các điện tử xung quanh do va chạm với chúng các cặp điện tử - lỗ trống. Các hạt mang mới được tạo ra này sẽ tiếp tục được gia tốc nhờ điện trường cao và lại tiếp tục phát ra các cặp điện tử - lỗ trống mới khác.
=> Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng thác lũ
· ưu và nhược điểm của APD so với PIN?
+ độ nhạy: của APD hơn PIN, có thể lớn hơn từ 5 đến 15 dB.
+ Hiệu suất lượng tử: do APD có cơ chế thác lũ nên hiệu suất lượng tử của APD được nhân lên M lần ( PIN : η ; APD: Mη ).
+ Đáp ứng: vì có cơ chế thác lũ trong APD nên đáp ứng R rất cao và cao hơn PIN hàng trăm lần.
+ dải động: của APD rộng hơn PIN, đoạn tuyến tính của APD có mức công suất quang thay đổi từ vài phần nW đến vài μW dải rộng thay đổi với hệ số >1000,còn Pin có dải rộng với hệ số xấp xỉ bằng 100.
+ dòng tối: là nhiễu do linh kiện tách sóng quang tạo ra. Do APD có cơ chế nhân thác lũ nên dòng tối cũng được nhân lên, lớn hơn nhiều so với PIN.
+ độ ổn định : vì hệ số nhân thác lũ của APD phụ thuộc vào nhiệt độ và điện áp phân cực ngược nên độ ổn định của APD kém hơn PIN.
+ điện áp phân cực: áp phân cực của PIN cực thấp ≤20V, APD có áp phân cực cao lên đến vài trăm volt.
- ưu điểm của PIN là: độ ổn định cao,dòng tối nhỏ gây nhiễu thấp.
- ưu điểm của APD là dải động rộng ,độ nhạy cao, đáp ứng lớn.
8) chỉ ra mối quan hệ Pi của photo diot PIN ? hệ số đáp ứng R và hiệu suất của PIN có phải là hằng số không? Vì sao?
- chỉ ra mối quan hệ Pi của photo diot PIN:
9) đặc tính của photo diot PIN có thể cải thiện bằng cách nào?
-
10) giải thích về hiện tượng thác lũ trong APD? Tác động của hiệu ứng thác lũ lên APD?
- giải thích về hiện tượng thác lũ trong APD: khi các điện tử di chuyển và được gia tốc , động vào các điện tử và lỗ trống khác làm cho chúng kết hợp với nhau quá trình ion hóa sẽ xảy ra nhanh hơn. dưới tác dụng của nguồn phân cực ngược, sự phân bố cường độ điện trường trong các lớp bán dẫn , trong đó trường vùng tiếp giáp PN+ cao nhất, quá trình nhân điện xảy ra ở vùng này. Vùng này được gọi là vùng “thác lũ”
- Tác động của hiệu ứng thác lũ lên APD?
• Khi có thiên áp phân cực ngược nhỏ đặt vào APD, hầu hết các điện thế rơi ngay qua tiếp giáp pn+. Vùng trôi sẽ mở rộng theo sự tăng của thiên áp cho tới một giá trị điện áp nào đó mà trường điện đỉnh tại tiếp giáp pn+ vào khoảng 5 ÷ 10% dưới trường điện cần thiết để gây ra hiệu ứng thác.
• Để quá trình nhân hạt mang được xảy ra đúng lúc thì các hạt mang phát ra dòng photo phải đi qua vùng có điện trường rất cao. Dưới điện trường này thì 1 điện tử được gia tốc có đủ năng lượng để phát ra các cặp điện tử - lỗ trống mới. Điều này có nghĩa là nó ion hóa các điện tử bao quanh trong vùng hóa trị do va chạm với chúng. Cơ chế nhân hạt mang này được gọi là sự ion hóa do va chạm.
Bạn đang đọc truyện trên: Truyen2U.Pro