Opticke telekomunikacije-Elektrotehnicki fakultet-Ispit Part6, Ispiti' predlog Telekomunikacioni inženjering. University of Belgrade
dragana.d
dragana.d5 September 2012

Opticke telekomunikacije-Elektrotehnicki fakultet-Ispit Part6, Ispiti' predlog Telekomunikacioni inženjering. University of Belgrade

PDF (3 MB)
38 str.
4broj preuzimanja
1000+broj poseta
100%od1broj ocena
Opis
Opticke telekomunikacije-Elektrotehnicki fakultet-Ispit Part6; zadaci sa resenjima;
20 poeni
poeni preuzimanja potrebni da se preuzme
ovaj dokument
preuzmi dokument
pregled3 str. / 38

ovo je samo pregled

3 prikazano na 38 str.

preuzmi dokument

ovo je samo pregled

3 prikazano na 38 str.

preuzmi dokument

ovo je samo pregled

3 prikazano na 38 str.

preuzmi dokument

ovo je samo pregled

3 prikazano na 38 str.

preuzmi dokument

Elektrotehnički fakultet Beograd‚ 10. jul 2011.

Ispit iz predmeta Optičke telekomunikacije (Ispit traje 180 minuta)

OBAVEZNO: Početak izrade svakog zadatka jasno obeležiti na početku stranice u vežbanci. Zadatke koje ne treba pregledati obeležiti oznakom X u kućici ispod rednog broja zadatka. U odgovorima koristiti pune rečenice. Konačne vrednosti i odgovore uokviriti. Pisati uredno i jasno naznačiti svaku promenu u redosledu izrade zadataka. ZADACI KOJI NE BUDU U SKLADU SA OVIM ZAHTEVIMA, NEĆE BITI PREGLEDANI. Studenti koji su zadovoljni brojem poena osvojenim na PRVOM kolokvijumu, ne rade zadatke 1 i 2, a u kućice ispod rednih brojeva 1 i 2 na naslovnoj stranici vežbanke treba da upišu oznaku K1. Studenti koji su zadovoljni brojem poena osvojenim na DRUGOM kolokvijumu, ne rade zadatke 3 i 4, a u kućice ispod rednih brojeva 3 i 4 na naslovnoj stranici vežbanke treba da upišu oznaku K2.

1 [15]. Dvoslojno monomodno vlakno pobuđuje se izvorom talasne dužine λ0 = 1.55 μm. Poznati su sledeći parametri vlakna, koji važe u širokom opsegu talasnih dužina: grupni indeks prelamanja N2 = 1.45, relativna razlika indeksa prelamanja Δ = 0.03, parametar (dN2/dλ0)/c = 30 ps/(nm∙km), gde je c brzina svetlosti u vakuumu. Za LP01 mod ispunjena je aproksimativna karakteristična relacija U2=1+2lnV, gde je U proizvod transverzalnog talasnog vektora u jezgru i poluprečnika jezgra, dok je V normalizovana učestanost.

a) Odrediti maksimalno grupno kašnjenje u vlaknu dužine L = 30 km u slučaju kada vlakno radi u monomodnom režimu [6].

b) Odrediti kolika je materijalna, a kolika talasovodna disperzija u slučaju pod a), kada se može smatrati da je odgovarajuća normalizovana učestanost dovoljno mala da se mogu primeniti aproksimativni izrazi za disperziju [6].

c) Odrediti poluprečnik jezgra vlakna, ako se može smatrati da važi aproksimacija slabog vođenja talasa i da se grupni indeks prelamanja može aproksimirati klasičnim indeksom prelamanja [3].

2 [15]. a) Ako je poznat faktor konfiniranja planarnog talasovoda, napisati izraz koji određuje u kom odnosu stoje snage talasa unutar jezgra i u oblogama talasovoda (Pa / Pwg) [3].

b) Ako se planarnim talasovodom prostiru 4 TE moda, skicirati na istom dijagramu raspodele električnog polja normalno na pravac prostiranja talasa za najniži parni i najviši neparni mod [3]. Obeležiti kom modu odgovara raspodela.

c) Koji od modova iz tačke pod b) ima veći faktor konfiniranja i zašto [3]?

d) Ako debljina talasovoda raste, da li broj prostirućih modova raste ili opada i zašto [2]? Ako debljina talasovoda raste, objasniti kako se menja faktor konfiniranja za četvrti mod [2]?

e) Koji uslov treba da zadovolji dvoslojno optičko vlakno, da bi mod HE11 postao LP01 [1]? Kolika je kritična učestanost za prostiranje ovih modova [1]?

3 [15]. Eksperimentalno je utvrđeno da pri pobuđivanju heterostrukturnog poluprovodničkog lasera gustinom struje J = 5∙Jth nastupaju relaksacione oscilacije, čiji faktor prigušenja iznosi 1.4∙109 s−1, dok je učestanost relaksacionih oscilacija fr = 5 GHz. Odnos snage elektromagnetskog talasa u aktivnoj sredini širine d = 200 nm, prema ukupnoj snazi koja se prenosi aktivnom sredinom i oblogama talasovoda iznosi 0.2, dok je gustina struje praga Jth = 2 kA/cm2.

a) Odrediti diferencijalno pojačanje ovog lasera [6].

b) Ako su u ovom laseru gubici u aktivnoj sredini αa = 30 cm−1, a u oblogama talasovoda αc = 20 cm−1, dok su indeks prelamanja poluprovodnika nr = 3.3 i dužina lasera L = 300 μm, odrediti koncentraciju fotona u

laseru, nakon uspostavljanja stacionarnog stanja [3]. Polazeći od uprošćene amplitudsko-frekventne karakteristike (τ → ∞ i τr → ∞) izvesti opšti izraz [3] i izračunati 3dB graničnu učestanost lasera polazeći od izvedenog izraza [3].

4 [15]. a) Da li i kako spektralna širina izvora utiče na graničnu učestanost optičkog vlakna, u slučaju kada je ukupna disperzija optičkog vlakna nula i kada je drugi izvod grupnog kašnjenja veći od nule [3]?

b) Navesti sve osnovne fizičke procese koji leže u osnovi rada poluprovodničkih lasera [1]. Koji od ovih procesa dominantno određuje rad lasera [1]?

c) Šta je to „inverzna populacija“ [1] i kako se ona ostvaruje u poluprovodničkim laserima [1]? Skicirati profil optičkog pojačanja u poluprovodniku energetskog procepa Eg za slučaj 2 različite koncentracije nosilaca u aktivnoj sredini u funkciji od učestanosti fotona [1], uz jasnu naznaku koja je koncentracija veća i kojoj od krivih odgovara. Ako je vrednost praga pojačanja jednaka maksimalnom pojačanju za veću koncetraciju nosilaca, označiti na slici onu vrednost učestanosti, koja odgovara stimulisanoj emisiji lasera [1].

d) Da li i kako porast struje I u mirnoj radnoj tački poluprovodničkog lasera utiče na 3dB graničnu učestanost (I > Ith) [3]?

e) Kako porast refleksivnosti ogledala lasera utiče na struju praga poluprovodničkog lasera i zašto [3]?

5 [15]. a) Nacrtati bazičnu strukturu lavinske fotodiode, a odmah ispod toga raspodelu električnog polja unutar strukture [1]. Ukratko objasniti kako ovaj fotodetektor radi [2].

b) Da li smanjenje bitskog protoka optoelektronskog telekomunikacionog linka utiče na osetljivost prijemnika i kako [2]? Da li tom prilikom, ako se pretpostavi da sve ostalo ostaje isto, snaga koja stiže do prijemnika opada, raste ili ostaje nepromenjena i zašto [2]?

c) Definisati pojam kvantne granice [1] i odrediti kvantnu granicu za slučaj zahtevane verovatnoće greške 10−5 [1].

d) Koji su najčešći efekti koji dovode po porasta minimalne prijemne snage i kako se oni manifestuju [2]?

e) Navesti osnovnu razliku između fotodioda i svetlećih dioda u pogledu dominantnog mehanizma interakcije fotona i elektrona na kom zasnivaju rad [1]. Navesti parametre koji određuju ukupnu efikasnost svetlećih dioda [1]. Koji parametar dominantno određuje graničnu učestanost svetleće diode [2]?

6 [15]. U jednom digitalnom point-to-point linku dužine L = 80 km, koristi se prijemnik sa optimizovanom vrednošću praga, koji se nalazi na sobnoj temperaturi T = 300 K. Ulazni stepen prijemnika koristi lavinsku fotodiodu sledećih karakteristika: koeficijent konverzije RAPD = M∙RPIN = M∙R = 85 A/W, faktor multiplikacije M = 100, dodatni faktor šuma F = 10. Ukupna radna otpornost u kolu fotodetektora je RL = 50 Ω. Poznato je da sistem radi sa maksimalnim bitskim protokom i uz zadovoljenje projektnih kriterijuma. Optičko vlakno ima slabljenje α = 0.5 dB/km, dok se na svakom njegovom kraju nalazi konektor slabljenja 1 dB. Dominantan je uticaj materijalne disperzije dm = 48.6 ps/(nm∙km) u vlaknu. Na predajnoj strani koristi se DFB laser sa veoma uskom širinom spektralne linije koja iznosi 0.1 nm i srednjom izlaznom snagom 0 dBm. Poznata je vrednost konstante kB = 8.62∙10−5 eV/K. Odrediti:

a) srednju prijemnu snagu Prec koja dolazi do fotodetektora [3].

b) bitski protok B u linku [3].

c) Verovatnoću greške u sistemu, kada se može koristiti aproksimativna relacija BER = Exp(−Q2/2)/[Q(2π)1/2] [6].

d) Da li primena PIN fotodetektora sa istim koeficijentom konverzije dovodi do manjeg ili većeg BER? (Odgovor se prihvata samo uz korektan dokaz!) [3].

Rešenje: 1. a) τg = 152.2 μs

b) dmat = 31 ps/(nm∙km), dwg = −7.92 ps/(nm∙km) c) a = 1.67 μs

2. a)-d) OT2_talasovodi_11.pdf e) OT3_opticka vlakna_11.pdf

3. a) dg/dn = 2.18 ∙ 10−16 cm2 b) Np = 8.65 ∙ 1014 cm-3 ; f3dB = 8.66 GHz

4. a) OT4_disperzija_11.pdf b)-e) OT5_izvori deo 1, 2, 3

5. a) OT6_detektori_11.pdf b) – d) OT7_prijemnici_11.pdf e) OT5_izvori_deo3_11.pdf.

6. a) Prec = 6.31∙10−8 Wb) B = 0.51 Gb/s c)BER = 1.42∙10−9 d) OT7_prijemnici_11.pdf

Elektrotehnički fakultet Beograd‚ 04. septembar 2011.

Ispit iz predmeta Optičke telekomunikacije (Ispit traje 180 minuta)

OBAVEZNO: Početak izrade svakog zadatka jasno obeležiti na početku stranice u vežbanci. Zadatke koje ne treba pregledati obeležiti oznakom X u kućici ispod rednog broja zadatka. U odgovorima koristiti pune rečenice. Konačne vrednosti i odgovore uokviriti. Pisati uredno i jasno naznačiti svaku promenu u redosledu izrade zadataka. ZADACI KOJI NE BUDU U SKLADU SA OVIM ZAHTEVIMA, NEĆE BITI PREGLEDANI. Studenti koji su zadovoljni brojem poena osvojenim na PRVOM kolokvijumu, ne rade zadatke 1 i 2, a u kućice ispod rednih brojeva 1 i 2 na naslovnoj stranici vežbanke treba da upišu oznaku K1. Studenti koji su zadovoljni brojem poena osvojenim na DRUGOM kolokvijumu, ne rade zadatke 3 i 4, a u kućice ispod rednih brojeva 3 i 4 na naslovnoj stranici vežbanke treba da upišu oznaku K2.

1 [15]. Za dvoslojno optičko vlakno poznati su sledeći parametri, koji važe u širokom opsegu talasnih dužina: indeks prelamanja jezgra n1 = 1.5, numerička apertura 0.15, grupni indeks prelamanja N2 = 1.45, parametar (dN2/dλ0)/c = 20 ps/(nm∙km), gde je c brzina svetlosti u vakuumu. Poluprečnik jezgra vlakna je a = 3.32 μm. Za LP01 mod ispunjena je aproksimativna karakteristična relacija U2 = 1+2 ln V, gde je U proizvod transverzalnog talasnog vektora u jezgru i poluprečnika jezgra, dok je V normalizovana učestanost.

a) Odrediti grupnu brzinu u vlaknu dužine L = 30 km u slučaju kada vlakno radi u monomodnom režimu sa najvećim mogućim faktorom konfiniranja [6].

b) Odrediti ukupnu disperziju u slučaju pod a), kada se može smatrati da je odgovarajuća normalizovana učestanost dovoljno mala da se mogu primeniti aproksimativni izrazi za disperziju i ako se profilna disperzija može zanemariti [7].

c) Odrediti normalizovanu konstantu prostiranja za slučaj (a) [2].

2 [15]. a) Napisati talasne jednačine po z-komponenti električnog i magnetskog polja za optičko vlakno (smatrati da je z-osa duž ose vlakna) [1]. Napisati granične uslove na osnovu kojih se rešavanjem ovih jednačina može odrediti konstanta prostiranja elektromagnetskog talasa u vlaknu [1].

b) Napisati relacije koje određuju raspodelu z-komponente električnog i magnetskog polja u jezgru i omotaču optičkog vlakna za HE11 mod [2]. Koji od modova, HE11 ili TE01 mod, ima veći intenzitet električnog polja z-komponente u r = 0 (tačka na osi vlakna) i zašto [2]?

c) Za poznate vrednosti poluprečnika jezgra vlakna (a) i indeksa prelamanja jezgra (n1) i omotača (n2), odrediti interval učestanosti ω pri kojima se vlaknom prostiru tačno dva hibridna moda [3].

d) Ako je ukupan broj LP modova obe polarizacije u jednom optičkom vlaknu 6, koliki je broj modova sa stepenom degeneracije 2 [3] i kolika je maksimalna vrednost normalizovane učestanosti V [2].

e) Skicirati materijalnu, talasovodnu i ukupnu disperziju u optičkom vlaknu u zavisnosti od talasne dužine za opseg od 1.2 μm do 1.6 μm [1].

3 [15]. Eksperimentalno je utvrđeno da pri pobuđivanju heterostrukturnog poluprovodničkog lasera strujom koja je veća od struje praga dolazi do relaksacionih oscilacija. Amplituda susednih oscilacija stoje u odnosu e:1, gde je e osnova prirodnog logaritma. Procesi spontane radijativne i neradijativne rekombinacije traju duže nego svi drugi procesi zbog čega se može usvojiti da τ → ∞ i τr → ∞. Odnos snage elektromagnetskog talasa u aktivnoj sredini, prema ukupnoj snazi koja se prenosi aktivnom sredinom i oblogama talasovoda iznosi 0.2. U laseru su gubici u aktivnoj sredini αa = 30 cm−1, a u oblogama talasovoda αc = 20 cm−1, dok su indeks prelamanja poluprovodnika nr = 3.3 i dužina lasera L = 300 μm.

a) Odrediti prag pojačanja [2] i vreme života fotona [2].

b) Polazeći od uprošćene amplitudsko-frekventne karakteristike (τ → ∞ i τr → ∞) izvesti opšti izraz [3] i izračunati 3dB graničnu učestanost lasera polazeći od izvedenog izraza [8].

4 [15]. a) Objasniti kako činjenica da konstanta prostiranja β zavisi od učestanosti ω (β = β(ω)) utiče na intenzitet i oblik gausovskog optičkog impulsa koji se prostire kroz vlakno [2]. Kako varijansa optičkog signala zavisi od dužine vlakna i njegove disperzije [2]? Kako se menja oblik gausovskog optičkog impulsa sa dužinom vlakna L kada je disperzija jednaka nuli [2]?

b) Navesti sve osnovne fizičke procese koji leže u osnovi rada poluprovodničkih lasera [1]. Koji od ovih procesa dominantno određuje rad lasera [1]?

c) Objasniti kako se menja struja praga poluprovodničkog lasera u funkciji od dužine rezonatorske šupljine [1].

d) Da li i kako porast struje i u mirnoj radnoj tački poluprovodničkog lasera utiče na 3dB graničnu učestanost (I > Ith) [3]?

e) Kako porast refleksivnosti ogledala lasera utiče na struju praga poluprovodničkog lasera i zašto [3]?

5 [15]. a) Navesti osnovnu razliku između pin fotodiode i svetlećih dioda u pogledu dominantnog mehanizma interakcije fotona i elektrona na kom zasnivaju rad [1]. Koji parametri dominantno određuju graničnu učestanost pin fotodiode [2]?

b) Napisati izraz za zavisnost struje od napona u fotodiodama i objasniti parametre koji u njemu figurišu [1]. Dve identične fotodiode osvetljavaju se optičkim zračenjem različitog intenziteta Po1 > P02. Prikazati strujno-naponske karakteristike za ove dve fotodiode na jednom dijagramu, sa precizno označenim vrednostima optičke snage koje odgovaraju svakoj od karakteristika [2].

c) Da li smanjenje bitskog protoka optoelektronskog telekomunikacionog linka utiče na osetljivost prijemnika i kako [2]? Da li tom prilikom, ako se pretpostavi da sve ostalo ostaje isto, snaga koja stiže do prijemnika opada, raste ili ostaje nepromenjena i zašto [2]?

d) Napisati funkciju prenosa linearnog kanala u optičkom prijemniku tako da se na izlazu iz pojačavača dobije signal sa minimalnim izobličenjem usled intersimboske interferencije. Objasniti detaljno ovaj rezultat [3].

e) Da li neki od kriterijuma projektovanja optičko-komunikacionog linka zavisi od bitskog protoka signala, koji i zašto [2]?

6 [15]. U jednom digitalnom point-to-point linku dužine L = 80 km, koristi se prijemnik sa optimizovanom vrednošću praga, koji se nalazi na sobnoj temperaturi T = 300 K. Ulazni stepen prijemnika koristi lavinsku fotodiodu sledećih karakteristika: koeficijent konverzije RAPD = M∙RPIN = M∙R = 85 A/W, faktor multiplikacije M = 100, dodatni faktor šuma F = 10. Ukupna radna otpornost u kolu fotodetektora je RL = 50 Ω. Poznato je da sistem ispravno radi na bitskom protoku B = 2.5 Gb/s i da tom prilikom BER iznosi 10−9, što odgovara faktoru Q = 6 . Optičko vlakno ima slabljenje α = 0.5 dB/km, dok se na svakom njegovom kraju nalazi konektor slabljenja 1 dB. Poznata je vrednost konstante kB = 8.62∙10−5 eV/K i važi aproksimativna relacija BER = Exp(−Q2/2)/[Q(2π)1/2].

a) Odrediti srednju prijemnu snagu Prec koja dolazi do fotodetektora [5].

b) Ako se bitski protok B u linku učetvorostruči, a zahtevani BER ostane isti, odrediti minimalnu srednju snagu predajnika PT da bi ovaj link ispravno radio [10].

Rešenje: 1. a) vg = 2.05∙108 m/s

b) dtot = 18.54 ps/(nm∙km) c) b = 0.52

2. a)-d) OT3_opticka vlakna_11.pdf e) OT4_disperzija_11.pdf

3. a) gth = 318.57 cm−1 ; τp = 1.7 ps; b) f3dB = 49.5 GHz

4. a) OT4_disperzija_11.pdf b)-e) OT5_izvori deo 1, 2, 3

5. a), b) OT6_detektori_11.pdf c), d) OT7_prijemnici_11.pdf e) OT8_p2p_11.pdf.

6. a) Prec = 0.23 μW;b) PT = 12.77 mW;

komentari (0)

nema postavljenih komentara

budi prvi koji ce napisati!

ovo je samo pregled

3 prikazano na 38 str.

preuzmi dokument