• Jakie typy włókien światłowodowych stosuje się dla transmisji WDM (DWDM)?

- włókna jednomodowe SMF

- włókna jednomodowe z przesuniętą dyspersją DS-SMF

- włókna jednomodowe z niezerową przesuniętą dyspersją NZDS-SMF

- włókna NZDS-SMF z niezerową i przesuniętą dyspersją TrueWave (+/-) firmy Lucent Tech.

- włókna NZDS-SMF z niezerową i przesuniętą dyspersją AllWave firmy Lucent Technologies

- włókna NZDS-SMF z niezerową i przesuniętą dyspersją LEAF

- włókna NZDS-SMF z niezerową i przesuniętą dyspersją TeraLight firmy Alcatel

• Na czym polega działanie diody PIN?

Dioda p-i-n stanowi modyfikację podstawowej struktury p-n. Charakterystyczną cechą konstrukcyjną fotodiody p-i-n jest szeroka samoistna warstwa półprzewodnikowa rozdzielająca obszary p oraz n. Warstwa ta nie zawiera swobodnych nośników ładunku. Znaczna szerokość warstwy samoistnej zwiększa prawdopodobieństwo absorpcji fotonów właśnie w jej wnętrzu. Poprawia to zdecydowanie czułość takiej diody oraz szybkość jej działania w porównaniu z fotodiodą p-n.

Przy polaryzacji wstecznej diody obszar ładunku przestrzennego znajduje się głównie w warstwie i. Z chwilą, gdy napięcie na fotodiodzie p-i-n osiągnie taką wartość, że obszar i zostanie całkowicie zajęty przez ładunek przestrzenny, wtedy fotodioda taka reprezentuje pojemność. Wartość tej pojemności zmienia się przy dalszym wzroście napięcia tym mniej, im większą rezystywność ma obszar typu i.

Zaabsorbowany przez krzem foton generuje pary elektron-dziura. Jeżeli absorpcja fotonu ma miejsce w warstwie i, wówczas dziura i elektron są rozdzielane przez pole elektrostatyczne w tej warstwie. W celu uzyskania możliwie największej sprawności kwantowej zjawiska wewnętrznego wskazane jest, aby warstwa p była jak najcieńsza, a warstwa i najgrubsza. Zbyt gruba warstwa typu p powoduje znaczne zmniejszenie częstotliwości granicznej, zatem jej wielkość jest pewnym kompromisem.

• Podaj klasyfikację kabli światłowodowych ze względu na: a) obszar zastosowania, b) konstrukcję?

1. Obszar zastosowania:

1. Zewnętrzne,

2. Wewnętrzne,

3. Uniwersalne,

4. Samonośne.

2. Konstrukcja kabla:

1. Tubowe,

2. Rozetowe.

• Narysuj i omów przykładową aplikację systemu WDM?

Zwielokrotnienie falowe WDM (Wave Division Multiplexing) umożliwia zwielokrotnienie przepływności światłowodu przez równoległą, równoczesną i niezależną transmisję wielu kanałów optycznych, czyli promieni laserowych o różnych długościach fali świetlnej (transmisja kolorowa) - prowadzonych w jednym włóknie światłowodowym. Zwyczajowo przyjmuje się, że:

• zwielokrotnienie do kilku lub kilkunastu fal optycznych w jednym oknie włókna światłowodowego oznacza się jako WDM,

• zwielokrotnienie o większej liczbie kanałów
  i większej gęstości (odstęp międzyfalowy 0,8 nm) określa się przez gęste DWDM (Dense WDM),

• zwielokrotnienie ultragęste UWDM (Ultra WDM) przy odstępach międzykanałowych 0,4 nm (80 kanałów) lub mniejszych.





Zalety:

• Przezroczysty dla różnych przepływności i rodzajów modulacji

• Jeden wzmacniacz na włóknie dla wielu kanałów

• Odległość między regeneratorami 80-140km

Wady

• Akumulacja zniekształceń i szumów (dyspersja)

• Wymień parametry detektorów promieniowania?

Półprzewodnikowe detektory promieniowania są elementami fotoczułymi, reagują one na promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widzialnym lub podczerwonym i przekształcają energię tego promieniowania w energię elektryczną. Podstawowymi zjawiskami fizycznymi zachodzącymi w fotodetektorach są:

zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne

zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne

Parametry fotodetektora:

• czułość S: iloraz zmiany wielkości elektrycznej wywołanej padającym promieniowaniem do mocy promieniowania

• detekcyjność: odwrotność mocy wywołanej szumem

• czasy narastania i opadania impulsu prądu fotoelektrycznego będącego odpowiedzią na impuls promieniowania

• częstotliwość graniczna, przy której czułość detektora spada o 3dB

• Na czym polega zasada działania rezonatora Fabry-Perot?





rezonator optyczny (Fabry'ego-Perota) o długości L spełniający rolę sprzężenia zwrotnego.

Niezbędnym elementem generatora laserowego jest układ sprzężenia zwrotnego. Tworzą go, dwa równolegle ustawione do siebie zwierciadła zamykające między sobą wzmacniający ośrodek aktywny lasera. Taki układ dwóch zwierciadeł umożliwiających promieniowaniu laserowemu wielokrotne przechodzenie przez ośrodek aktywny nazywany jest rezonatorem Fabry-Perot. Zwykle w rezonatorach laserowych jedno ze zwierciadeł jest całkowicie odbijające (Z₀), a drugie (Z_T) częściowo przepuszczalne (transmisyjne) umożliwiające wyprowadzenie promieniowania laserowego na zewnątrz rezonatora.




• Na czym polega zjawisko dyspersji, jakie są jej rodzaje?

Dyspersją nazywamy występującą w światłowodzie zależność prędkości fali świetlnej v od jej długości λ (częstotliwości f).

Zatem od długości fali (częstotliwości) zależy również współczynnik załamania światła n definiowany jako n = c/v, gdzie c jest prędkością światła w próżni.

Zależność ta może występować w dwu formach:

• dyspersji normalnej fale dłuższe poruszają się szybciej niż fale krótsze,

• dyspersji anomalnej fale krótsze poruszają się szybciej niż fale dłuższe.

Rodzaje dyspersji:

- Dyspersja modowa
[200-800 MHz/km]

- Dyspersja chromatyczna
(materiałowa i falowodowa) [0-20 ps/km*nm]

- Dyspersja polaryzacyjna [≤ 0,2 ps/km1/2]

• Co to jest kąt akceptacji (stożek akceptacji) włókna światłowodowego?

Kąt akceptacji 2α jest to podwojona wartość maksymalnego kąta padania promienia na czoło światłowodu, przy jakim on dozna jeszcze całkowitego wewnętrznego odbicia na granicy rdzeń-płaszcz. Dla światłowodów wielomodowych kąt akceptacji wynosi
ok. 28°.





• Wymień źródła światła najczęściej stosowane w optotelekomunikacji, opisz podstawowe zjawiska zachodzące w strukturze półprzewodnika?

Diody luminescencyjne (LED)

diody powierzchniowe

diody krawędziowe

RCE LED (resonance cavity enhanced) LED

Lasery (LD)

lasery FP (Fabry-Perota)

lasery DFB (distributed feedback) i DBR
(distributed Bragg reflector)

lasery VCSEL (vertical cavity surface emitting lasers)

lasery światłowodowe

Własności złącza p - n wykorzystywane są przy budowie elementów optoelektronicznych:

zjawisko generacji do detekcji promieniowania świetlnego - fotodiody;

zjawisko rekombinacji w budowie nadajników promieniowania - diod luminescencyjnych (rekombinacja spontaniczna) i laserów półprzewodnikowych (rekombinacja wymuszona).

Procesy w strukturach półprzewodnikowych:

1. Absorpcja kwantu

2. Emisja spontaniczna kwantu

3. Emisja wymuszona kwantu

Generacja par dziura - elektron

Generacja ma miejsce pod wpływem energii dostarczanej z zewnątrz np. w postaci promieniowania. Po ustaniu warunków do generacji (energia z zewnątrz przestaje dopływać) zachodzi rekombinacja powodująca znikanie pary swobodnych nośników prądu powstawania. W wyniku rekombinacji energia elektronu zmniejsza się. Nadmiar energii równy szerokości pasma zabronionego elektron oddaje w postaci ciepła lub kwantu promieniowania świetlnego o ściśle określonej długości fali zgodnie z zależnością:




h - stała Planck'a,

c - prędkość światła

Wg - szerokość pasma zabronionego

Rekombinacja promienista zachodzi w półprzewodnikach na bazie arsenku galu dlatego
w optoelektronice jest to podstawowy materiał półprzewodnikowy.

• Co to jest kąt graniczny i na czym polega zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia?

W momencie gdy wiązka świetlna napotka inne środowisko niż to, w którym się obecnie rozchodzi to na granicy tych ośrodków część tej fali jest rozproszona, część odbita a reszta przechodzi do drugiego środowiska.

Fala świetlna po napotkaniu na swojej drodze innego ośrodka zachowuje się według praw:

odbicia,

załamania.

Kąt odbicia (kąt pomiędzy promieniem odbitym a normalną w punkcie padania) jest równy kątowi padania ၡ (kątowi pomiędzy promieniem padającym a normalną) i oba kąty oraz normalna leżą w tej samej płaszczyźnie.





Stosunek sinusa kąta padania ၡ promienia świetlnego na granicę dwóch ośrodków do sinusa kąta załamania ၢ jest wartością stałą
i nazywamy współczynnikiem załamania światła, do którego promień wchodzi względem środowiska, z którego wychodzi . Promień padający, załamany i normalna do powierzchni granicznej leżą w jednej płaszczyźnie.




n1, n2 - współczynniki załamania ośrodka 1 i 2

n21- współczynnik załamania środowiska, do którego promień wchodzi (2),
względem środowiska, z którego wychodzi (1)

Przy pewnym kącie zwanym kątem granicznym αg, kąt ၢ osiągnie wartość 90Ⴐ i promień załamany będzie się ślizgał po powierzchni odgraniczającej ośrodki.

Jeśli kąt padania ၡ > αg, to promień nie ulegnie załamaniu, lecz odbije się zgodnie z prawem odbicia. W opisanym przypadku wszystkie promienie ulegają odbiciu do wewnątrz ośrodka optycznie gęstszego. Zjawisko takie nazywamy całkowitym wewnętrznym odbiciem.

• Jakie są wady i zalety stosowania wzmacniaczy EDFA?

Parametry wzmacniaczy EDFA

•Szerokie pasmo -40 nm (5000 GHz)

•Wysokie wzmocnienie -30 do 40 dB

•Wysoka moc wyjściowa -do +20dBm (100 mW)

•Niskie szumy -4 dB Liczba Szumowa (NF)

•Długość fali pompy -980 lub 1480 nm

•Wada: Brak kompensacji efektów dyspersji

Zalety wzmacniaczy EDFA:

- brak zależności wzmocnienia od polaryzacji sygnału,

- redukcja przesłuchu przy wzmacnianiu wielu sygnałów na różnych długościach fal,

- eliminacja odbić,

- moc nasycenia znacznie większa niż we wzmacniaczach pp,

- mniejszy niż u wzmacniaczy pp współczynnik szumów (3.5 dB).

• Jak dzielimy włókna światłowodowe ze względu na: a) ch-kę modową, b) profil współczynnika załamania?

Ze względu na charakterystykę modową, światłowody możemy dzielić na:

• jednomodowe

• wielomodowe

Ze względu na rozkład współczynnika załamania w rdzeniu, światłowody możemy dzielić na:

• skokowe

• gradientowe

• Podaj warunek propagacji jednodomowej?

Propagacja jednomodowa istnieje, gdy dla wszystkich modów
(z wyjątkiem oczywiście modu podstawowego HE11) stworzy się warunki odpowiadające odcięciu. Ma to miejsce gdy V < 2,405. Ogólny warunek na propagację jednomodową:




a - promień rdzenia,

n1, n2 - współczynniki załamania ośrodków,

λ - długość fali w wolnej przestrzeni

• Co to jest sprzęgacz światłowodowy, do czego służy i jakie znasz rodzaje sprzęgaczy?

Sprzęgacze światłowodowe mają za zadanie wprowadzanie mocy świetlnej pochodzącej z kilku światłowodów wejściowych do jednego lub kilku światłowodów wyjściowych, bądź dystrybucję mocy z jednego lub kilku światłowodów wejściowych pomiędzy kilka lub więcej światłowodów wyjściowych.

Sprzęgacze są podstawowymi elementami rozgałęzionych sieci optycznych o dowolnej konfiguracji i pozwalają dołączyć do niej wielu użytkowników. Zwykle występują one jako oddzielne pasywne elementy dołączane do sieci za pomocą złączy rozdzielnych lub stałych. Najczęściej spotykane są sprzęgacze typu 1x2, 2x2, NxN; te ostatnie noszą nazwę sprzęgaczy gwiazdowych.

Główne techniki sprzęgania światłowodów to:

1.Sprzęganie czołowe, gdy transformacja mocy optycznej odbywa się przez czoła rdzeni światłowodów;

2.Sprzęganie boczne, gdy transformacja mocy optycznej zachodzi przez sprzężenie boczne światłowodów wskutek oddziaływania między modami rozchodzącymi się w sprzęganych światłowodach.

• Na czym polega idea zwielokrotnienia WDM?

Zwielokrotnienie falowe WDM (Wave Division Multiplexing) umożliwia zwielokrotnienie przepływności światłowodu przez równoległą, równoczesną i niezależną transmisję wielu kanałów optycznych, czyli promieni laserowych o różnych długościach fali świetlnej (transmisja kolorowa) - prowadzonych w jednym włóknie światłowodowym. Zwyczajowo przyjmuje się, że:

• zwielokrotnienie do kilku lub kilkunastu fal optycznych w jednym oknie włókna światłowodowego oznacza się jako WDM,

• zwielokrotnienie o większej liczbie kanałów
  i większej gęstości (odstęp międzyfalowy 0,8 nm) określa się przez gęste DWDM (Dense WDM),

• zwielokrotnienie ultragęste UWDM (Ultra WDM) przy odstępach międzykanałowych 0,4 nm (80 kanałów) lub mniejszych.

• Wymień warunki zaistnienia akcji laserowej?

Obecność stanów metastabilnych w materiale

Pompowanie atomów do stanów metastabilnych

Inwersja obsadzeń

Emisja wymuszona

Optyczne sprzężenie zwrotne

• Od czego zależy długość światła emitowanego przez źródło półprzewodnikowe?

Elementy półprzewodnikowe są trwałe i umożliwiają bezpośrednie przekształcanie sygnału elektrycznego na promieniowanie światła o wymaganej długości fali.

Generacja ma miejsce pod wpływem energii dostarczanej z zewnątrz np. w postaci promieniowania. Po ustaniu warunków do generacji (energia z zewnątrz przestaje dopływać) zachodzi rekombinacja powodująca znikanie pary swobodnych nośników prądu powstawania. W wyniku rekombinacji energia elektronu zmniejsza się. Nadmiar energii równy szerokości pasma zabronionego elektron oddaje w postaci ciepła lub kwantu promieniowania świetlnego o ściśle określonej długości fali zgodnie z zależnością:




h - stała Planck'a,

c - prędkość światła

Wg- szerokość pasma zabronionego

• Jaki cel ma stosowanie kodowania liniowego w systemach optycznych?

Celem stosowania kodowania liniowego w systemach optycznych jest opieka nad sygnałem.

• Co to jest i jaka jest zasada działania wzmacniacza EDFA?

Jest to odpowiednio domieszkowany i pompowany optycznie światłowód.

Zasada działania wzmacniacza EDFA

Dla osiągnięcia wzmocnienia konieczne jest wzbudzenie jonów erbu do wyższego poziomu energetycznego (stan metastabilny), przez laser pompujący.

Powracając (po ok. 10 ms) do poziomu podstawowego wzbudzone jony powodują emisję spontaniczną lub emisję stymulowaną.

W trakcie emisji stymulowanej przy spotkaniu światła podlegającego wzmocnieniu z pobudzonymi jonami erbu powstają dodatkowe fotony. Te dodatkowe fotony nie różnią się od fotonów wejściowych--> następuje wzmocnienie sygnału.







• Co to jest apertura numeryczna światłowodu i od czego zależy?

Apertura numeryczna NA nazywana jest stożkiem akceptacji światłowodu. Względne wymiaru tego stożka są bardzo ważnymi parametrami światłowodu: krótki stożek o dużej podstawie powoduje dużą łatwość wprowadzenia wiązki do światłowodu. Jeśli natomiast stożek jest długi i cienki, to kąt graniczny jest większy i trudniej jest wprowadzić światło do światłowodu. Te wymiary względne można wyrazić przez bezwymiarowy parametr zwany aperturą numeryczną NA, określony wzorem:




α - połowa kąta akceptacji,

n1, n2 - współczynniki załamania ośrodków,

Dla światłowodów wielomodowych apertura numeryczna wynosi ok. 0.24.

• Czym różnią się systemu WDM, DWDM, UWDM, CWDM?

 CWDM - 6 nm

- zwielokrotnienie do kilku lub kilkunastu fal optycznych w jednym oknie włókna światłowodowego oznacza się jako WDM, ( 2nm)

- zwielokrotnienie o większej liczbie kanałów i większej gęstości (odstęp międzyfalowy 0,8 nm) określa się przez gęste DWDM (Dense WDM),

- zwielokrotnienie ultragęste UWDM (Ultra WDM) przy odstępach międzykanałowych 0,4 nm (80 kanałów) lub mniejszych.

• Narysuj charakterystykę tłumienia w funkcji długości fali i zdefiniuj pojęcie okna transmisyjnego?





Okno transmisyjne jest to wąska szczelina, w której dla ściśle określonej długości fali (zakres) tłumienność jest nawet kilkadziesiąt razy mniejsza.

-I okno - λ = 0,85µm, tłumienie 3-4 dB/km,

-II okno - λ = 1,3 µm, tłumienie < 1dB/km,

-III okno - λ = 1,55µm, tłumienie 0,2 - 0,5 dB/km.

• Na czym polega działanie diody lawinowej APD?

Istota działania diody lawinowej APD polega na tym, że w obszarach n+ i p+ są duże koncentracje nośników większościowych. Pierścień ochronny typu p tworzy złącze p-n. Promieniowanie o energii fotonów hv pada na obszar światłoczuły typu p+, co sprawia, że szumy fotodiody są najmniejsze z możliwych. Obszar aktywny stanowi złącze p+-N. Struktura fotodiody jest zabezpieczana warstwą SiO2, u góry przymocowany jest aluminiowy kontakt.

• Jakie zjawiska wykorzystuje się do detekcji promieniowania w systemach światłowodowych?

Półprzewodnikowe detektory promieniowania są elementami fotoczułymi, reagują one na promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widzialnym lub podczerwonym i przekształcają energię tego promieniowania w energię elektryczną. Podstawowymi zjawiskami fizycznymi zachodzącymi w fotodetektorach są:

zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne

zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne







α

α













---