بررسی مولدهای نوری

دسته: برق
بازدید: 6 بار
فرمت فایل: doc
حجم فایل: 52 کیلوبایت
تعداد صفحات فایل: 41

هر اتم از یك باند ظرفیت و یك باند هدایت تشكیل شده است بعد از باند ظرفیت اتم، باند هدایت قرار گرفته است كه در حالت عادی خالی است الكترونهای باند ظرفیت با گرفتن انرژی كافی به ممانه هدایت رفته یك جفت الكترون حفره ایجاد می‌كنند حال اگر الكترونها در معرض تغییرات انرژی كافی در اثر بایار مناسب قرار گیرند الكترونها دوباره از باند ممنوعه پرش كرده و به باند

قیمت فایل فقط 19,500 تومان

1-1- مقدمه

هر اتم از یك باند ظرفیت و یك باند هدایت تشكیل شده است. بعد از باند ظرفیت اتم، باند هدایت قرار گرفته است كه در حالت عادی خالی است. الكترونهای باند ظرفیت با گرفتن انرژی كافی به ممانه هدایت رفته یك جفت الكترون حفره ایجاد می‌كنند. حال اگر الكترونها در معرض تغییرات انرژی كافی در اثر بایار مناسب قرار گیرند. الكترونها دوباره از باند ممنوعه پرش كرده و به باند مجاور می رود و هنگام این پرش از باند ممنوعه مقداری انرژی از دست می دهند و این اتلاف انرژی  همراه با تشعشع به همراه مقداری انرژی مشخص است. این مكانیزم مدارهای نوری مورد استفاده قرار می گیرد.

2-1- مولدهای نوری

دو نوع ابزار مولد نور مورد استفاده قرار می گیرند كه LEDها و لیزرها هستند. LEDها و لیزرها دو تفاوت اساسی دارند.

1- LED یك ابزار نیمه هادی است كه با استفاده از یك فرآیند تبدیل توان به شكل جریان ورودی و فوتون خروجی، نور ساطع می كند در حالیكه لیزر یك ابزار مولد تشدید در حفره است كه ممكن است به عنوان واسطه فعال خود، از یك گاز، یك مایع یا یك جسم جامد استفاده كند و به عنوان محصول فرآ‌یند افزایش شار فوتونی نور ساطع نماید.

2- LED نوری با باند عریض ساطع می كند كه در آن فوتونها مستقیماً وابسته به فاز نیستند در حالیكه لیزر یك نوع نوری با باند باریك ساطع می كند كه در آن فوتونهای تابشی یا فوتونهای مولد همفازند و به همین جهت نور laser برخلاف LED می تواند در یك نقطه دور و بسیار كوچك متمركز شود و در نتیجه در محل تمركز نور چگالی توان بسیار بالایی داشته باشد.

در حال حاضر دیودهای نور گسیل نسبت به laser دارای اشكالات بیشتری است از جمله:

الف- قدرت نوی پایین تر

ب- پهنای باند مدولاسیون نسبتاً كوچكی دارند (كمتر از MHZ50)

ج- انحراف هارمونیكی دارند

با وجود اشكالات فوق دیودهای نور گسیل مزایایی دارند كه كا ربرد آنها را در مخابرات نوری بسیار برجسته كرده است كه عبارتند از:

الف- ساخت ساده تر در آن هیچ تراش منعكس كننده ای وجود ندارد و در بعضی از انواع ساختاری آن Striped Geometry وجود ندارد.

ب- هزینه كمتر بخاطر ساختار ساده تر

ج- وابستگی دمایی كمتر آن. مشخصات خروجی نور در مقابل جریان آن نسبت به مشخصات لیزر كمتر تحت تاثیر قرار می گیرد و مسائل مربوط به پایداری جریان آستانه و جبران حرارتی را ندارد.

د- خطی بودن. یك دیود نور گسیل دارای خروجی نوری خطی در قبال مشخصات جریان می باشد (برخلاف لیزر اتصالی) كه این امر در مواردی كه مدولاسیون آنالوگ مورد نظر است، سودمند است.

3-1- كارایی دیودهای نور گسیل

عدم وجود تقویت نوری از طریق نشر تحریك شده در دیود نور گسیل، سبب محدود شدن كارائی كمی درونی دیود (نسبت فوتونهای تولید شده به الكترونهای تزریق شده) می گردد. تكیه بر نشر خودبخودی، بدلیل وجود نقص ها و ناخالصی ها اجازه جا گرفتن تركیبات مجدد غیر تابشی را درون ساختار می دهد و در نتیجه در بهترین حالت، كارایی داخل 50% را برای دستگاههای ساده ای با اتصال Homojvnetion را می دهد اگرچه كارایی كمی درونی می تواند بطور نسبی بالا باشد، ولی شكل نامبرده برای دیود نور گسیلی كه از طریق یك سطح مسطح منتشر می شود ضرورتاً به صورت Lambertion می باشد چرا كه تشعشع سطحی قدرت تابیده شده از یك فضای واحد به یك زاویه سه بعدی در تمام جهات ثابت می باشد. توزیع شدت Lambertion در شكل 1-1 نشان داده شده است. J₀ شدت ماكزیمم بر سطح مسطح عمودی می باشد ولی به طرفین كاهش می یابد (متناسب با كسینوس زاویه تصویر 5) این مساله بهره قدرت خروجی را به میزان چند درصد كاهش می دهد.

بهره قدرت خروجی ، به عنوان نسبت قدرت نوری منتشر شده خروجی P_e، به قدرت الكتریكی تامین شده برای دستگاه، P، می باشد كه می توان آن را بصورت زیر نوشت:

شكل

همچنین قدرت نوری منتشر شده (P_e) به درون محیطی با مشخصه انكسار پایین، n، از سطح یك دیود نور گسیل مسطح ساخته شده از موادی با مشخصه انكسار n_x، تقریباً بصورت زیر داده می شود:

كه در این رابطه P_int قدرت تولید شده داخلی و F فاكتور انتقال از سطح مشترك نیمه هادی- خروجی، می باشد. از این رو تخمین زدن درصد قدرت نوری منتشر شده، ممكن می باشد.

موقعی كه خروجی نور به یك فیبر متصل می گردد، اتلاف بیشتری به وجود می‌آید. اگر برای فیبری با مشخصه پله ای فرض شود كه تمام نور به انتهای فیبر، درون زاویه قابل قبول  تزویج می شود، در محیط هوا معادله زیر برقرار می گردد. یعنی زاویه  با مقدار N_A­ (روزنه عددی) برابر خواهد بود.

نور در زوایایی بزرگتر از  تزویج نخواهد شد. برای یك منبع Lambertion شدت تابش در یك زاویه ، بصورت زیر داده  كه در شكل 1-1 نشان داده می شود (I₀ شدت تابش در راستای خط  می باشد).

منبعی كه از هسته فیبر كوچكتر باشد و در مجاورت و نزدیكی آن قرار گیرد، ضریب تزویج آن بصورت زیر برحسب مختصات استوانه ای داده می شود.

                                                         (4-1)

با جایگذاری رابطه  در معادله 4-1 خواهیم داشت:

معادله فوق برای ضریب تزویج، اجازه تخمین زدن درصد قدرت نوری تزویج شده به فیبری با مشخصه پله ای نسبت به میزان قدرت نوری منتشر شده از دیود نور گسیل را می دهد.

4-1- قدرت نوری خروجی

قدرت خروجی نوری ایده ال در قبال مشخصه جریان برای یك دیود گسیل در شكل 10-1 نشان داده شده است در عمل دیودهای نور گسیل خصوصیات غیر خطی عمده ای را بسته به ساختار مورد استفاده، ارائه می دهند بنابراین استفاده از برخی تكنیكهای خطی كردن مدار ضروری می باشد این عمل برای اطمینان از عملكرد خطی دیود در سیستم انتقال آنالوگ می باشد. شكلهای (a,b11-1) خروجی نور را در ازاء جریانهای مختلف برای انتشار دهنده های مسطح و اریب به ترتیب نشان می دهد. نكته قابل توجه آن است كه انتشار دهنده مسطح به طور قابل توجهی قدرت نوری بیشتری را نسبت به انتشار دهنده اریب، بدون هوا منتشر می سازد.

5-1- انواع دیودهای نور گسیل

ساختارهای متفاوتی برای دیودهای نور گسیل وجود دارد كه كاربرد وسیعی در مخابرات نوری پیدا كرده اند از جمله دیودهای نور گسیل مسطح، اریب، گنبدی و Burrus.

1-5-1- دیود نور گسیل مسطح

این دیود ساختمان بسیار ساده ای دارد و بوسیله مراحل LPE، UPE بر روی یك سطح GaAS ساخته می شود و با این عمل یك لایه نوع P به درون لایه زیرین نوع n متصل می شود. جریان جلو رونده جاری شده از طریق محل اتصال، نشر خودبخودی Lambertion را نتیجه می دهد و نور از تمام سطوح دیود منتشر می گردد. اگرچه فقط بخش محدودی از نور می تواند از داخل ساختمان دیود (به دلیل انكسار داخلی كلی) خارج شود، بنابراین تشعشع بسیار پایین می باشد.

2-5-1- دیود گنبدی شكل

ساختار یك دیود نور گسیل گنبدی در زیر نشان داده شده است یك نیم كره نوع N، GaAS بدور یك ناحیه نوع P كشیده شده است قطر گنبد به گونه ای انتخاب می‌شود كه میزان نشر داخلی ای را كه به درون زاویه بحرانی سطح مشترك GaAS هوا می رسد، ماكزیمم می شود. از اینرو این نوع دیود نور گسیل دارای ضریب قدرت خروجی بیشتری نسبت به دیود نور گسیل مسطح می باشد. با این وجود هنسده ساختاری این دیود به گونه ای است كه سطح گنبد بسیار بزرگتر از سطح تركیب مجدد اكتیو می باشد كه این امر فضای نشر موثر بزرگتری را ارائه می دهد و در نتیجه میزان تشعشع كاهش می یابد.

3-5-1- دیود نور گسیل منتشر كننده اریب

این دیود كه در زیر نشان داده شده است نشر كننده اریب DH با ساختار هندسی راه راه می باشد كه در مخابرات نوری برای تشعشع زیاد مورد استفاده قرار می گیرد. لایه های نگه دار شفاف به همراه یك لایه  فعال فیلی نازك (50 تا 100 میكرومتر) به منظور پخش نمودن نور تولید شده در لایه های فعال، بدرون لایه های نگه دار شفاف و كاهش دادن خود جذبی در لایه های فعال، در ساختار دیود نور گسیل قرار داده شده اند.

4-5-1- دیود نور گسیل با امیتر سطحی

یك روش برای دسترسی به تشعشع بالا، محدود كردن تشعشع به یك ناحیه فعال كوچك درون دیود نور گسیل می باشد این تكنیك  بوسیله Burrus و Dawson ابداع شده است. اساس كار استفاده از یك Etched Well در یك لایه زیرین GaAS به منظور جلوگیری از جذب شدید تشعشع منتشر شده در دیودهای نور گسیل با ساختار مشابه، و تطبیق فیزیكی به فیبر بود. این ساختار دارای امپدانس حرارتی پایینی در ناحیه فعال می باشد در نتیجه چگالی جریان بالایی دارد و نشر تشعشعی بالا را به فیبر نوری  ارائه می دهد. ساختار یك امیتر سطحی با تابش بالا برای باند طول موجی  در شكل 5-1 نشان داده شده است. جذب داخلی در این دیود نور گسیل در اثر لایه‌های محدود كننده Gardland بزرگتر، خیلی كمتر می باشد. قدرت تزویج شده به یك فیبر با مشخصه پله ای بصورت زیر تخمین زده می شود.

                                                    (6-1)

كه r  ضریب انكسار در سطح فیبر، A سطح مقطع كوچكتر فیبر (ناحیه نشر منبع) و R_D تشعشع منبع می باشد البته این قدرت تزویج شده به فاكتورهای زیاد دیگری مثل فاصله، تعادل و تساوی بین ناحیه نشر و فیبر، خصوصاً ناحیه نشر دیود و محیط بین نشر و فیبر وابسته است. به همین جهت امیترهای سطحی اغلب قدرت نوری بیشتری نسبت به میزان پیش بینی شده در معادله 6-1 را دارند.

چكیده

در مدار مورد نظر، ابتدا صورت به روش مدولاسیون فركانس حول فركا نس KHZ25، مدوله می شود و سپس بوسیله خط انتقال فیبر نوری ارسال می شود. در گیرنده نیز پس از آشكارسازی و بازسازی سیگنال فرستاده شده، با بهره گیری از سیستم حلقه قفل فاز، سیگنال صوت بازیابی و تقویت می شود. به علت محدودیت كار دیودهای فرستنده و گیرنده بازدهی كار در فركانسهای بالاتر از KHZ25 كاهش می یابد.

فصل دوم  

آشكارسازهای نوری

1-2- مقدمه

آشكار ساز نوری در یك سیستم به عنوان حساسترین قسمت مدار می باشد زیرا اگر دریافت سیگنال به درستی صورت نگیرد عملكرد مدار دچار اختلال می گردد و لذا این قسمت عملكرد تمام مدار را تحت شعاع ق رار می دهد. آشكارسازها باید فاكتورهایی را دارا باشند كه كیفیت آنها را تضمین می كند.

الف- برای تولید دوباره شكل موج سیگنال دریافت شده، مخصوصاً در انتقال آنالوگ پاسخ آشكارساز نوری باید با توجه به سیگنال نوری در یك رنج نسبتاً وسیعی خطی باشد.

ب- زمان كوتاه پاسخ به منظور مشاهده پهناب باند مناسب. امروزه به سرعتهای تا چندین مگاهرتز دست یافته اند و در آینده فیبرهای تك مدی حتی در چندین گیگاهرتز عمل خواهند كرد.

ج- كمترین نویز: جریانهای نشتی و جریانهای پنهان می بایستی پایین باشند و مدارات و گین درونی باید نویز كمی داشته باشند.

د- پایداری مشخصات عملكردی. عملكرد نسبت به شرایط محیطی تا حد ممكن استقلال داشته باشد اگرچه در عمل مشخصاتی مانند نویز و گین درونی آنها با دما تغییر می كنند. برای اینكار باید از جبرانساز حرارتی استفاده كرد.

و- اندازه كوچك. اندازه فیزیكی آشكارساز برای تزویج موثر با فیبر كوچك باشد.

ی- پاسخ الكتریكی بزرگ نسبت به سیگنال دریافتی. آشكارساز باید یك سیگنال الكتریكی ماكزیمم را برای میزان قدرت نوری داده شده، تولید نماید.

هـ- ولتاژ بایاس كم و قابلیت اعتماد بالا. آشكارساز توانایی كاركرد پایدار مداوم در دمای اتاق را برای مدتهای طولانی داشته باشد.

2-2- آشكارسازهای نوری

انتشار نور در وسایل نیمه هادی بخصوص در دیودهای نیمه هادی بخوبی انجام می‌شود. این وسایل دارای پیوندهای نیمه هادی هستند كه در آنها حاملهای بار آزاد (الكترونها و حفره ها) با جذب فوتونهای ورودی ایجاد می شوند. این مكانیزم گاهی اثر فوتوالكتریك داخلی نامیده می شود. سه وسیله معمول كه از این پدیده استفاده می‌كنند عبارتند از: دیود نوری دارای پیوند pn، دیود نوری PIN و دیود نوری بهمنی. ویژگیهای مهم آشكارسازها عبارتند از: پاسخ دهی، پاسخ طیفی و زمان صعود.

پاسخ دهی  برابر است با نسبت جریان خروجی آشكارساز به توان نوری ورودی كه بصورت زیر بیان می شود:

واحد پاسخ دهی آمپر بر وات است.

پاسخ طیفی به منحنی پاسخ دهی آشكارساز به عنوان تابعی از طول موج اشاره می‌كند. به علت تغییرات سریع پاسخ دهی با طول موج، در دو ناحیه طیف نوری كه تلفات تار كم است آشكارسازهای متفاوتی باید به كار گرفته شود.

زمان صعود عبارت است از زمان لازم برای جریان خروجی آشكارساز تا اینكه از 10% به 90% مقدار نهایی اش تغییر كند به شرطی كه تغییرات توان نوری ورودی به شكل پله باشد.

3-2- ضریب جذب

جذب فوتونها در دیود فتوالكتریك به منظور تولید جفتهای حامل می باشد كه نتیجه آن جریان فتونی ای است كه به a₀، ضریب جذب نور در نیمه هادی مورد استفاده بستگی دارد.

در یك طول موج ویژه و با فرض اینكه فقط انتقال Bandgap وجود دارد،  جریان فتوالكتریك تولید شده، I_p، بوسیله نور تابشی با قدرت نوری P₀، بوسیله رابطه زیر محاسبه می شود:

كه e باریك الكترون، r ضریب انعكاس در سطح مشترك نیمه هادی- هوا و d پهنای ناحیه جذب می باشد. ضریب جذب مواد به شدت به طول موج وابسته می‌باشد. تفاوت بین منحنی های جذب مواد، از انرژی Bandgap متفاوت آنها نشات می‌گیرد كه مقدار این انرژی در جدول (1-2) نشان داده شده است.

4-2- بهره كوانتمی

هر فوتونی كه انرژی آن از تابع كار بیشتر باشد الزاماً یك الكترون آزاد نخواهد كرد. این مشخصه با بهره كوانتمی گسیلند، توصیف می شود كه عبارت است از:

=	تعداد الكترونهای ساطع شده	=	re	(2-2)
	تعداد فوتونهای تابشی برخورد كرده		rp

این ضریب معمولاً كمتر از واحد می باشد. زیرا همه فوتونهای تابشی برای تولید جفتهای الكترون- حفره جذب نمی شوند. این ضریب تابعی از طول موج فوتون می‌باشد و بنابراین فقط برای یك طول موج ویژه بیان می شود.

5-2- پاسخ دهی

مفهوم بهره كوانتمی، انرژی فوتون را در بر نمی گیرد. برای مشخص كردن تاثیر انرژی فوتون، از پاسخ استفاده می شود. با توجه به معادلات (1-2) و (2-2) و معادله انرژی یك فوتون (E=hf) می توان سرعت فوتون تابشی r_p را برحسب قدرت نوری و انرژی فوتون به صورت زیر نوشت:

                                                                          (3-2)

در ادامه داریم:

                                                                          (4-2)

                                                                        (5-2)

                                                                      (6-2)

                                                                           (7-2)

                                                                            (8-2)

                                                                         (9-2)

روابط فوق نشان می دهد كه اولاً جریان آشكارساز متناسب  با توان نوری است. ثانیاً اینكه پاسخ بطور مستقیم با بهره كوانتمی، در یك طول موج ویژه متناسب می‌باشد.  شكل (2-2) پاسخ دهی برحسب طول موج را بر ای یك آشكارساز سیلیكونی با بهره كوانتمی واحد در دو حالت ایده ال و عملی نشان می دهد.

6-2- طول موج قطع

برای ساخت آشكارسازهای فتوالكتریك لازم است كه انرژی فوتونهای تابشی بزرگتر یا مساوی با انرژی Bandgap ماده استفاده شده باشد. بنابراین انرژی فوتون عبارت خواهد بود از:

                                                                      (10-2)

كه به نتیجه زیر می انجامد:

                                                                       (11-2)

بنابراین آستانه آشكارسازی عموماً به عنوان نقطه طول موج بلند قطع، ، بصورت زیر داده می شود:

                                                                      (12-2)

عبارت فوق امكان محاسبه بلندترین طول موج را برای آشكارسازی فوتوالكتریك مواد نیمه هادی مختلف مورد استفاده در ساخت آشكارسازها می دهد.

قیمت فایل فقط 19,500 تومان

برچسب ها : بررسی مولدهای نوری , كارایی دیودهای نور گسیل , بهره كوانتمی