Основы оптической связи. Контрольная работа. Вариант 01. 2 курс 4 семестр

Вариант 01.

1. Основы физической и квантовой оптики

Вопросы:
1. Почему применяют диапазона волн 0,4 - 1,8мкм в технике оптической связи?
2. Объяснить связь энергии фотона и длины волны излучения.
3. Объяснить законы, являющиеся основой геометрической оптики.
4. В чём физический смысл показателя преломления?
5. Почему поляризуются электромагнитные волны?
6. Что является результатом интерференции волн?
7. Перечислить оптические приборы техники связи, которые строятся на основе интерференции.
8. Как устроена дифракционная решетка?
9. В чём смысл условия Брэгга-Вульфа?
10. Объяснить смысл «запрещённой зоны» полупроводниковых материалов.
11. Для чего предназначено соединение GaAs в технике ВОСП?
12. Что служит признаком отличая прямозонных и непрямозонных материалов?
13. Что возможно в p-n переходах оптических приборов при прямом и обратном смещении?
14. Какое устройство в ВОСП имеет отражательные дифракционные решетки?
15. Какие компоненты входят в состав ВОСП?
16. Для чего нужен оптический конвертор ВОСП?

2. Физические среды оптической связи и их характеристики
Вопросы:
1. Привести определение волоконно-оптической системой передачи.
2. Указать диапазон электромагнитных волн (частот) для применение в оптических системах передачи.
3. Что относится к передаточным характеристикам волоконных световодов?
4. Назвать материалы для изготовления волоконных световодов.
5. В чём измеряют потери оптической мощности в стекловолокне?
6. В чём отличие характеристик волоконных световодов стандарта G.652 с различными буквенными индексами (A,B,C, D)?
7. Определить полосу частот рабочего диапазона S для SMF улучшенного типа.
8. Почему образуется дисперсия в оптическом волокне?
9. Чем отличаются конструкции и характеристики волокон SMF, NZDSF и DCF?
10. Почему возможны разные виды дисперсии в волоконных световодах?
11. Что такое ПМД?
12. Как влияет ПМД на скорости и дальности передачи в оптических линиях?
13. Почему появляются нелинейные оптические эффекты в стекловолокне?
14. Чем вызваны потери оптической энергии в атмосфере Земли?
15. Назвать основные конструкции оптических кабелей.
Задача 2 (прочтите внимательно условие задачи!)
Определить затухание, дисперсию, полосу пропускания и максимальную скорость передачи двоичных импульсов в волоконно-оптической системе с длиной секции L (км), километрическим затуханием (дБ/км) на длине волны излучения передатчика 0 (мкм), ширине спектра излучения 0,5 (нм) на уровне половины максимальной мощности излучения. Данные для задачи приведены в табл.2.1 и 2.2. Определить мощность оптического излучения в волокне на выходе секции, если на входе подключен оптический генератор с уровнем мощности +10дБм на заданной длине волны λ0. Составить схему измерения этой мощности оптическим тестером.
Табл. 2.1. Длина оптической секции
Предпоследняя цифра номера пароля: 0
Длина оптической секции, км 45

Табл. 2.2. Характеристики волокон
Последняя цифра номера пароля: 1
Тип волокна: DSF
Коэфф. Затухания, α, дБ/км: 0,27
Длина волны, λ0, нм: 1,524
Спектральная линия, Δλ0,5, нм: 0,02
Коэфф. Хроматич. дисперсии, ϭХр, пс/(нм×км): -2,7
Затухание на разъёмных соединениях, lrs , дБ: 0,2
Привести письменно выводы и оценки по результатам расчетов и схему измерения.

3. Пассивные устройства в оптической схемотехнике
Изучите конспект, учебную литературу и ответьте письменно на следующие вопросы:
1. На сколько отличаются по величине затухания отражения прямой и угловой физические контакты коннекторе ?
2. Что соединяют оптические розетки?
3. Чем отличаются оптические аттенюаторы?
4. Какие устройства в состав оптического кросса?
5. Что разделяют оптические разветвители?
6. Что изолирует оптический изолятор?
7. Что объединяют и разделяют оптические мультиплексоры и демультиплексоры?
8. Где применяется компенсатор дисперсии?
9. Как можно изменить маршрут световой волны?
10. Определите назначение OADM.
11. Какие оптические приборы входят в состав OADM?

4. Модули передачи оптических сигналов

4.1. Источники оптического излучения
Изучите конспект, учебную литературу и ответьте письменно на следующие вопросы:
1. Назвать требования к источнику оптического излучения ВОСП.
2. Что различного в конструкции и характеристиках торцевого и поверхностного светодиодов для оптической связи?
3. Перечислить конструкции лазеров для передатчиков техники оптической связи.
4. Представить резонатор Фабри – Перо и его характеристики.
5.  Устройство полупроводникового гетеролазера с резонатором Фабри – Перо.
6. Назвать способы достижения одномодового режима генерации в лазерах.
7. Как поддерживается температурный режим работы лазера?
8. Как перестроить длину волны излучения одномодового лазера?
9. Привести и сравнить диаграмму направленности излучения светодиода и лазера.
10. Какими приборами подключаются светодиоды и лазеры к волоконным световодам?

Задача 4.1
Определить характеристики многомодового лазера с резонатором Фабри – Перо (FP) и одномодового лазера с распределенной обратной связью (DFB).
Определить число мод в лазере FP, для которых выполняется условие возбуждения в полосе длин волн при длине резонатора L и показателе преломления активного слоя n.
Определить частотный интервал между модами и добротность резонатора на центральной моде О при коэффициенте отражения R.
Изобразить конструкцию полоскового лазера FP и представить рисунок модового спектра.
Определить частоту и длину волны генерируемой моды в одномодовом лазере DFB для известных значений дифракционной решетки m и длины лазера L. Изобразить конструкцию лазера DFB. Исходные данные приведены в табл. 4.1-4.4.

Табл. 4.1. Длина резонатора
Предпоследняя цифра номера пароля: 0
Длина резонатора, L, мкм: 190

Табл. 4.2. Лазер FP
Последняя цифра номера пароля: 1
Δλ, нм: 30
n: 3,45
λ0, мкм: 0,43
R: 0,34

Табл. 4.3. Лазер DFB, длина решетки
Предпоследняя цифра номера пароля: 0
Длина решетки резонатора, L, мкм: 145

Табл. 4.4. Лазер DFB, основные показатели
Последняя цифра номера пароля: 1
Порядок решетки, m: 2
Шаг решетки, d, мкм: 0,11
Показатель преломления, nэ: 3,47
Сформулировать выводы по результатам расчёта и представить рисунки.

4.2. Модуляция оптического излучения
Вопросы:
1. Объяснить понятие оптической модуляции.
2. Объяснить принципиальное отличие прямой и внешней модуляций оптического излучения.
3. Представить схему прямой модуляции с полупроводниковыми источниками оптического излучения (СИД и ППЛ).
4. Назвать ограничения полосы информационного сигнала частот при прямой модуляции для СИД и ППЛ.
5. Причины искажения сигналов при прямой модуляции в СИД и ППЛ.
6. Сравнить модуляционные характеристики схем с ППЛ и СИД.
7. Назвать виды внешней модуляции оптического излучения, которые применяются в системах передачи.
8. Назвать отличия электрооптического внешнего модулятора от электроабсорбционного модулятора на основе эффекта Франца-Келдыша.
9. Какие виды внешней модуляции оптического излучения обеспечиваются модулятором Маха-Зендера?
10. Представить устройство модулятора Маха-Зендера и его характеристики.
11. Объяснить форматы модуляции, реализуемые с помощью MZM.
12.  Назвать компоненты в составе передающего оптического модуля.
13. Назначение термодатчика и терморегулятора в состав передающего оптического модуля.

Задача 4.2
Для модулятора Маха-Зендера рассчитать и построить передаточную (модуляционную) характеристику по варианту согласно табл. 4.5. Выбрать на построенной характеристике напряжение начального смещения с учётом амплитуды и полярности модулирующего сигнала, представленного по варианту в табл.4.6. Показать на рисунке изменение относительной величины оптической мощности при модуляции (пример на рис.4.51). По рисунку определить глубину модуляции.
Табл. 4.5. Полуволновое напряжение MZM
Предпоследняя цифра номера пароля: 0
Полуволновое напряжение Vπ, В: 7

Табл. 4.6. Модулирующий сигнал
Последняя цифра номера пароля: 1
Амплитуда, В: 4
Форма синусоид. или импульсная: П
Полярность: -
Привести рисунки модуляции, выводы и сравнительные оценки видов модуляции по результатам расчетов и построений.

5. Модули приёма оптических сигналов
5.1. Фотодетекторы
Вопросы:
1. Перечислить требования к фотоприемникам оптических систем передачи.
2. Назвать виды фотодетекторов для оптических систем передачи.
3. Преимущества применения полупроводниковые фотодиоды в оптических системах передачи.
4. Какие характеристики имеет фотодиод конструкции p-i-n?
5. Что ограничивает диапазон оптических частот для фотодетектирования в полупроводниковых приборах?
6. Чем обусловлена длинноволновая граница чувствительности фотодиодов?
7. Что отличает конструкцию лавинного фотодиода (ЛФД) от конструкции фотодиода p-i-n?
8. Какое различие в принципе действия ЛФД и фотодиода p-i-n?
9. В каких конструкциях сокращается время включения фотодиода?
10. От чего зависит коэффициент усиления ЛФД?
11. Причины шума фотодиодов.
12. Назвать шумы фотодиодов, которые принципиально неустранимы.
13.  Указать преимущество фотодиодов типа TAP и TWPD перед ЛФД и P-i-N.
14.  Указать условия применения селективных фотодетекторов.
Задача 5.1
Построить график зависимости чувствительности фотодетектора от длины волны оптического излучения по данным табл. 5.1. Используя график и данные табл. 5.2 и 5.3 определить величину фототока на выходе p-i-n фотодиода. По графику определить длинноволновую границу чувствительности фотодетектора. Определить материал для изготовления прибора.
Табл. 5.1. Спектральная чувствительность прибора
Чувствительность, А/Вт: 0,32
Длина волны, мкм: 1

Табл. 5.2. Мощность излучения
Предпоследняя цифра номера пароля: 0
Мощность излучения Pи, мкВт: 0,1

Табл. 5.3. Длина рабочей волны
Последняя цифра номера пароля: 1
Длина волны, λ, мкм: 1,66
Привести рисунок с обозначением длинноволновой границы чувствительности, выводы и оценки по результатам расчетов.

5.2. Фотоприёмные устройства
Вопросы:
1. Назвать отличие прямого фотодетектирования от фотодетектирования с преобразованием.
2. Назначение функциональных блоков в схеме фотоприемного устройства (ФПУ) с прямым детектированием.
3.  Виды предварительных электрических усилителей для фотоприемных устройств.
4. Назвать элементы входной цепи фотоприемного устройства с прямым детектированием.
5.  Устройство входной цепи фотоприемного устройства детектирования с преобразованием. Принципиальное отличие от ФПУ прямого детектирования.
6. Соотношение между электрической и оптической полосами частот пропускания ФПУ.
7. Что определяет величину соотношения сигнал/шум на выходе ФПУ?
8. Чем выполняется противошумовая коррекция в ФПУ?
9. Назвать отличия гомодинного приемника сигнала от гетеродинного в ФПУ с преобразованием.
10. Что применяется для детектирования о