Λύσεις — Κεφάλαιο 4 · Τεχνολογία Συστημάτων (Ερωτήσεις, σελ. 102) – ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΚΑΙ ΔΙΚΤΥΑ

Λύσεις — Κεφάλαιο 4 · Τεχνολογία Συστημάτων (Ερωτήσεις, σελ. 102)

Λύσεις των ερωτήσεων/προβλημάτων του βιβλίου (οπτοηλεκτρονική· 2 αριθμητικά.

Τρίοδος λυχνία

Ερώτηση: 1. Ποια είναι η σημαντικότερη ιδιότητα της τριόδου ηλεκτρονικής λυχνίας και ποια τα μειονεκτήματά της;

Απάντηση:

• Σημαντικότερη ιδιότητα: η ενισχυτική ιδιότητα — η ικανότητα, σε κατάλληλο κύκλωμα, να παραλαμβάνει ένα ασθενές σήμα στην είσοδο και να το αποδίδει ενισχυμένο στην έξοδο. Αυτή επέτρεψε την ασύρματη τηλεγραφία, τη ραδιοφωνία, την τηλεόραση και το ραντάρ.
• Μειονεκτήματα: θέρμανση, μεγάλη κατανάλωση, μεγάλος όγκος.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η ενισχυτική της ιδιότητα· μειονεκτήματα: θέρμανση, κατανάλωση, όγκος.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: ενίσχυση ασθενούς σήματος + τα μειονεκτήματα (θέρμανση, κατανάλωση, όγκος).

Πλεονεκτήματα τρανζίστορ

Ερώτηση: 2. Ποια είναι τα πλεονεκτήματα του τρανζίστορ;

Απάντηση:

• Το τρανζίστορ εκτελεί τις ίδιες λειτουργίες με τη λυχνία χωρίς τα μειονεκτήματά της. Πλεονεκτήματα:
• χαμηλή κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας, μικρό μέγεθος, χαμηλό κόστος κατασκευής, υψηλή αξιοπιστία, έλλειψη προβλημάτων υπερθέρμανσης και καταλληλότητα για παλμική λειτουργία σε συστήματα ψηφιακής μετάδοσης.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Χαμηλή κατανάλωση, μικρό μέγεθος, χαμηλό κόστος, υψηλή αξιοπιστία, χωρίς υπερθέρμανση, κατάλληλο για ψηφιακή (παλμική) λειτουργία.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: τουλάχιστον τέσσερα από τα έξι πλεονεκτήματα του βιβλίου.

Επιπτώσεις σμίκρυνσης

Ερώτηση: 3. Ποιες επιπτώσεις έχει η συνεχής μείωση του μεγέθους των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων και ποιο χαρακτηριστικό τους παίζει πρωταρχικό ρόλο στην προσπάθεια αυτή;

Απάντηση:

• Επιπτώσεις: περισσότερα στοιχεία στην ίδια επιφάνεια (περισσότερες λειτουργίες στο ίδιο ολοκληρωμένο) → μείωση του κόστους, αύξηση της ταχύτητας (ισχύς επεξεργασίας) και μείωση της κατανάλωσης (νόμος του Moore: διπλασιασμός των τρανζίστορ περίπου ανά 18 μήνες).
• Υπάρχουν όμως όρια: η δυσκολία απαγωγής της θερμότητας (υπερθέρμανση και πρόωρη καταστροφή του ημιαγωγού) και το ότι το μέγεθος των στοιχείων δεν μπορεί να γίνει μικρότερο από την απόσταση των ατόμων στον κρύσταλλο.
• Πρωταρχικό ρόλο παίζει η ελάχιστη διάσταση των στοιχείων του κυκλώματος (π.χ. ελάχιστη απόσταση γειτονικών τρανζίστορ ή ελάχιστο πάχος μεταλλικών συνδέσεων).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Περισσότερα στοιχεία ανά ολοκληρωμένο → χαμηλότερο κόστος, μεγαλύτερη ταχύτητα, μικρότερη κατανάλωση (με όρια λόγω θερμότητας και ατομικών διαστάσεων)· καθοριστική είναι η ελάχιστη διάσταση των στοιχείων.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: επιπτώσεις (κόστος/ταχύτητα/κατανάλωση) + ελάχιστη διάσταση.

MIC vs MMIC & εφαρμογές

Ερώτηση: 4. Ποια η βασική διαφορά των MIC από τα MMIC; 5. Να αναφέρετε μερικές εφαρμογές των μικροκυματικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.

Απάντηση:

• MIC (μικροκυματικά ολοκληρωμένα κυκλώματα): ενεργές διατάξεις (π.χ. τρανζίστορ FET) και παθητικά στοιχεία (γραμμές μεταφοράς, αντιστάσεις, πυκνωτές, πηνία) τοποθετημένα πάνω σε διηλεκτρικό (μονωτικό) υπόστρωμα (συνήθως αλουμίνα).
• MMIC (μονολιθικά): οι ενεργές διατάξεις και τα παθητικά στοιχεία διαμορφώνονται μέσα ή πάνω σε ημιαγωγικό υπόστρωμα (συνήθως αρσενικούχο γάλλιο, GaAs), με τις διαδικασίες κατασκευής των συνήθων ολοκληρωμένων.
• Εφαρμογές: δορυφορικοί πομποί και δέκτες (12 ή 4 GHz), δορυφορική τηλεόραση, δορυφορικό τηλέφωνο, κινητά τηλέφωνα (900 και 1800 MHz), ναυτιλιακά και στρατιωτικά ραντάρ, συστήματα ηλεκτρονικού πολέμου.

Σύνοψη: (ενδεικτική) MIC: στοιχεία πάνω σε διηλεκτρικό υπόστρωμα· MMIC: όλα τα στοιχεία σε ημιαγωγικό υπόστρωμα (GaAs). Εφαρμογές: δορυφορικές επικοινωνίες/τηλεόραση, κινητά τηλέφωνα, ραντάρ, ηλεκτρονικός πόλεμος.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: διηλεκτρικό έναντι ημιαγωγικού υποστρώματος + τουλάχιστον δύο εφαρμογές.

LED vs Laser

Ερώτηση: 6. Ποιες είναι οι βασικές κατασκευαστικές και λειτουργικές διαφορές ανάμεσα σε μια δίοδο LED και ένα laser; 7. Σε τι οφείλεται η διαφορά στη χαρακτηριστική καμπύλη οπτικής ισχύος εκπομπής-ρεύματος πόλωσης μιας LED και ενός laser;

Απάντηση:

• Κατασκευαστικά: και οι δύο είναι ενώσεις p-n· το laser διαθέτει επιπλέον ανακλαστικά άκρα (κάτοπτρα), ώστε το φως να ανακλάται πολλαπλά (οπτική ανατροφοδότηση).
• LED: αυθόρμητη εκπομπή → ασύμφωνο φως με μεγάλο φάσμα, ομοιόμορφα προς όλες τις διευθύνσεις· ισχύς μερικά mW, απόδοση ~10%, ρυθμοί μερικές εκατοντάδες Mbit/s.
• Laser: εξαναγκασμένη εκπομπή → σύμφωνο, σχεδόν μονοχρωματικό φως μεγάλης λαμπρότητας και κατευθυντικότητας· ισχύς έως μερικά Watt, απόδοση ~30%, ρυθμοί έως 10 Gbit/s.
• Χαρακτηριστική P–I: στη LED η σχέση ισχύος-ρεύματος είναι ευθεία γραμμή (αυθόρμητη εκπομπή). Στο laser σύμφωνο φως παράγεται μόνο πάνω από το ρεύμα κατωφλιού, όταν η ενίσχυση από την εξαναγκασμένη εκπομπή ξεπεράσει τις εσωτερικές απώλειες — γι' αυτό η καμπύλη ανεβαίνει απότομα μετά το κατώφλι.

Σύνοψη: (ενδεικτική) LED: αυθόρμητη εκπομπή, ασύμφωνο φως, χαμηλή ισχύς/ρυθμοί, γραμμική P–I. Laser: κάτοπτρα, εξαναγκασμένη εκπομπή, σύμφωνο μονοχρωματικό φως, μεγάλη ισχύς/ρυθμοί, με ρεύμα κατωφλιού στην P–I.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: αυθόρμητη έναντι εξαναγκασμένης εκπομπής + κάτοπτρα + ρεύμα κατωφλιού.

Μήκος κύματος πηγής

Ερώτηση: 8. Από τι εξαρτάται το μήκος κύματος εκπομπής των οπτικών πηγών; 9. Ποια υλικά δίνουν «φως» στα μήκη κύματος των οπτικών επικοινωνιών;

Απάντηση:

• Το μήκος κύματος του φωτός που εκπέμπεται εξαρτάται από την ακριβή σύνθεση του ημιαγωγού.
• Φως δεν δίνει οποιοσδήποτε ημιαγωγός: στο πυρίτιο και το γερμάνιο η επανασύνδεση απελευθερώνει θερμότητα, όχι φως. Κατάλληλοι είναι οι σύνθετοι ημιαγωγοί από Al, Ga ή In με P, As ή Sb.
• Για τα μήκη κύματος των οπτικών επικοινωνιών (0,85, 1,3 και 1,55 μm): GaAlAs/GaAs (750-870 nm → 0,85 μm) και InGaAsP/InP (1100-1650 nm → 1,3 και 1,55 μm).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Από την ακριβή σύνθεση του ημιαγωγού. Υλικά: GaAlAs/GaAs για 0,85 μm και InGaAsP/InP για 1,3 και 1,55 μm.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: σύνθεση ημιαγωγού + τα υλικά του πίνακα 4.4.1 για τα τρία μήκη κύματος.

Πηγή και φωτοδέκτης για 1 Gbit/s στα 1,55 μm

Ερώτηση: 10. Αν θέλατε να πραγματοποιήσετε σύστημα επικοινωνίας με οπτική ίνα σε ρυθμό 1 Gbit/s και μήκος κύματος 1,55 μm, τι είδους πηγή και φωτοδέκτη θα χρησιμοποιούσατε;

Απάντηση:

• Πηγή: η LED φτάνει μόνο μερικές εκατοντάδες Mbit/s, ενώ το laser διαμορφώνεται έως 10 Gbit/s → χρειάζεται διοδικό laser ημιαγωγού, από υλικό που εκπέμπει στα 1,55 μm: InGaAsP/InP (1100-1650 nm).
• Φωτοδέκτης: φωτοδίοδος ημιαγωγού (π.χ. PIN, ή PIN-FET με ενισχυτή) από InGaAs, που είναι το κατάλληλο υλικό για το «παράθυρο» των 1,55 μm (το Si είναι για 0,8-0,9 μm και το Ge για 1,3 μm).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Laser ημιαγωγού InGaAsP/InP και φωτοδίοδο (PIN) από InGaAs.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: laser (όχι LED) λόγω ρυθμού + υλικό για 1,55 μm + φωτοδίοδος InGaAs.

Οπτικοί ενισχυτές vs επαναλήπτες

Ερώτηση: 13. Ποια τα πλεονεκτήματα της χρήσης οπτικών ενισχυτών αντί των επαναληπτών-αναγεννητών στις ζεύξεις μεγάλων αποστάσεων; 14. Εξηγήστε την αρχή λειτουργίας των οπτικών ενισχυτών. 15. Ποια είναι τα πλεονεκτήματα των οπτικών ενισχυτών ίνας σε σχέση με τους ενισχυτές ημιαγωγού;

Απάντηση:

• (13) Οι επαναλήπτες-αναγεννητές μετατρέπουν το οπτικό σήμα σε ηλεκτρικό, το ενισχύουν και το ξαναμετατρέπουν σε οπτικό· έχουν θόρυβο ηλεκτρονικής ενίσχυσης, κόστος και μέγεθος, ανάγκη συχνής συντήρησης και δεν ενισχύουν ταυτόχρονα πολλά μήκη κύματος (λειτουργούν σε ένα μήκος κύματος και συγκεκριμένο ρυθμό). Ο οπτικός ενισχυτής ενισχύει απευθείας το οπτικό σήμα, σε οποιοδήποτε μήκος κύματος (και πολλά μαζί) και οποιονδήποτε ρυθμό, με μεγάλο εύρος ζώνης· έτσι το σύστημα αναβαθμίζεται χωρίς αντικατάσταση των ενισχυτών.
• (14) Στον ενισχυτή ίνας προσμείξεων (π.χ. ερβίου) διοχετεύονται στον πυρήνα της ίνας το σήμα (λ1) και φως υψηλής ισχύος από laser άντλησης (λ2, 0,98 ή 1,48 μm). Τα άτομα προσμείξεων απορροφούν ισχύ στο λ2 και την αποδίδουν στο λ1 (εξαναγκασμένη εκπομπή), οπότε το σήμα ενισχύεται σε οπτική μορφή καθώς οδεύει στην ίνα. Στον ενισχυτή ημιαγωγού (παρόμοιο με laser) η άντληση γίνεται με ηλεκτρικό ρεύμα.
• (15) Οι ενισχυτές ίνας έχουν απλότητα κατασκευής, εύκολη ζεύξη με τη γραμμή οπτικής ίνας με χαμηλές απώλειες και εξάλειψη της διαφωνίας μεταξύ των σημάτων, ενώ οι ενισχυτές ημιαγωγού εισάγουν θόρυβο, έχουν σχετικά μεγάλο κόστος και εμφανίζουν διαφωνία.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι οπτικοί ενισχυτές ενισχύουν απευθείας το φως, για κάθε μήκος κύματος και ρυθμό, χωρίς τα προβλήματα των αναγεννητών· λειτουργούν με άντληση (laser άντλησης ή ρεύμα) και εξαναγκασμένη εκπομπή· οι ενισχυτές ίνας είναι απλοί, με εύκολη ζεύξη και χωρίς διαφωνία.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: απευθείας οπτική ενίσχυση/πολλά μήκη κύματος + άντληση + πλεονεκτήματα ενισχυτών ίνας.

Πρόβλημα 11 — μήκος κύματος μεγάλης απόστασης

Ερώτηση: Ποιο μήκος κύματος είναι κατάλληλο για μετάδοση μεγάλων αποστάσεων με οπτική ίνα; α) 980nm, β) 1550nm, γ) 670nm και δ) 904nm.

Λύση:

• Για μεγάλες αποστάσεις θέλουμε ελάχιστη εξασθένηση της ίνας.
• Η ελάχιστη εξασθένηση εμφανίζεται στο παράθυρο χαμηλής εξασθένησης 1,5-1,6 μm, δηλαδή στα 1550 nm (0,19-0,2 dB/km) → απάντηση (β).

Απάντηση: (β) 1550 nm (ελάχιστη εξασθένηση).

Πρόσεξε:

• Τα 1550 nm είναι το μήκος κύματος ελάχιστης εξασθένησης της ίνας, όπου λειτουργούν και οι ενισχυτές ίνας ερβίου.

Πρόβλημα 12 — laser & φωτοδίοδος

Ερώτηση: Μια πηγή laser εκπέμπει φως ισχύος 20mW. Κατά την εισαγωγή του φωτός στην οπτική ίνα μήκους 100Km, χάνεται η μισή ισχύς. Η εξασθένηση της οπτικής ίνας είναι 0,2dB/Km. Το φως στην έξοδο της ίνας πέφτει σε μια φωτοδίοδο με αποκρισιμότητα R=0,8A/W. Να βρεθούν: α) Η φωτεινή ισχύς Ρ στην έξοδο της ίνας και β) το ρεύμα I της φωτοδιόδου.

Λύση:

• Είσοδος στην ίνα: χάνεται η μισή ισχύς → 20 mW / 2 = 10 mW.
• Απώλεια ίνας: 0,2 dB/km × 100 km = 20 dB → παράγοντας 10^(−20/10) = 0,01.
• (α) P_εξ = 10 mW × 0,01 = 0,1 mW = 100 μW.
• (β) I = R·P = 0,8 A/W × 100·10⁻⁶ W = 80·10⁻⁶ A = 80 μA.

Απάντηση: (α) P = 100 μW (0,1 mW) · (β) I = 80 μA.

Πρόσεξε:

• Πρώτα η μισή ισχύς (σύζευξη), μετά η εξασθένηση της ίνας (20 dB → ×0,01).
• Έλεγχος: I = 0,8·100μW = 80 μA ✓

Οπτικοηλεκτρονική ολοκλήρωση

Ερώτηση: 16. Ποια τα πλεονεκτήματα της οπτικοηλεκτρονικής ολοκλήρωσης;

Απάντηση:

• Οπτικοηλεκτρονική ολοκλήρωση: ταυτόχρονη ανάπτυξη οπτικών, ηλεκτρο-οπτικών και ηλεκτρονικών διατάξεων στον ίδιο μονοκρύσταλλο (δίοδος laser, κύκλωμα οδήγησης, φωτοδίοδος, ενισχυτής, οπτικά φίλτρα).
• Συνδυάζει τα πλεονεκτήματα κάθε διάταξης σε μια ενιαία δομή, με εντελώς νέες δυνατότητες και εφαρμογές· αντιμετωπίζει τα όρια της μικροηλεκτρονικής (μήκος εσωτερικών διασυνδέσεων, ευαισθησία σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές) και είναι συμβατή με τις οπτικές επικοινωνίες.
• Επιτρέπει παράλληλη επεξεργασία πολλών φωτεινών σημάτων (οπτικοί υπολογιστές) και πολυπλεξία/μεταγωγή στο οπτικό επίπεδο, χωρίς οπτικοηλεκτρονική μετατροπή → μεγαλύτεροι ρυθμοί μετάδοσης (π.χ. πολυπλεξία μηκών κύματος).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ενιαία δομή με οπτικές και ηλεκτρονικές διατάξεις: νέες δυνατότητες, ξεπέρασμα των ορίων της μικροηλεκτρονικής, ανοσία σε παρεμβολές, παράλληλη επεξεργασία και επεξεργασία στο οπτικό επίπεδο με υψηλούς ρυθμούς.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: ορισμός + τουλάχιστον δύο πλεονεκτήματα από το βιβλίο.