هر اتم از یک باند ظرفیت و یک باند هدایت تشکیل شده است بعد از باند ظرفیت اتم، باند هدایت قرار گرفته است که در حالت عادی خالی است الکترونهای باند ظرفیت با گرفتن انرژی کافی به ممانه هدایت رفته یک جفت الکترون حفره ایجاد می‌کنند حال اگر الکترونها در معرض تغییرات انرژی کافی در اثر بایار مناسب قرار گیرند الکترونها دوباره از باند ممنوعه پرش کرده و به باند

1-1- مقدمه

هر اتم از یک باند ظرفیت و یک باند هدایت تشکیل شده است. بعد از باند ظرفیت اتم، باند هدایت قرار گرفته است که در حالت عادی خالی است. الکترونهای باند ظرفیت با گرفتن انرژی کافی به ممانه هدایت رفته یک جفت الکترون حفره ایجاد می‌کنند. حال اگر الکترونها در معرض تغییرات انرژی کافی در اثر بایار مناسب قرار گیرند. الکترونها دوباره از باند ممنوعه پرش کرده 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 مکانیزم مدارهای نوری مورد استفاده قرار می گیرد.

2-1- مولدهای نوری

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

1- LED یک ابزار نیمه هادی است که با استفاده از یک فرآیند تبدیل توان به شکل جریان ورودی و فوتون خروجی، نور ساطع می کند در حالیکه لیزر یک ابزار مولد تشدید در حفره است که ممکن است به عنوان واسطه فعال خود، از یک گاز، یک مایع یا یک جسم جامد استفاده کند و به عنوان محصول فرآ‌یند افزایش شار فوتونی نور ساطع نماید.

2- LED نوری با باند عریض ساطع می کند که در آن فوتونها مستقیماً وابسته به فاز نیستند در حالیکه لیزر یک نوع نوری با باند باریک ساطع می کند که در آن فوتونهای تابشی یا فوتونهای مولد همفازند و به همین جهت نور laser برخلاف LED می تواند در یک نقطه دور و بسیار کوچک متمرکز شود و در نتیجه در محل تمرکز نور چگالی توان بسیار بالایی داشته باشد.

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

الف- قدرت نوی پایین تر

ب- پهنای باند مدولاسیون نسبتاً کوچکی دارند (کمتر از MHZ50)

ج- انحراف هارمونیکی دارند

با وجود اشکالات فوق دیودهای نور گسیل مزایایی دارند که کا ربرد آنها را در مخابرات نوری بسیار برجسته کرده است که عبارتند از:

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

ب- هزینه کمتر بخاطر ساختار ساده تر

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

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

3-1- کارایی دیودهای نور گسیل

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

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

 

شکل

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

 

که در این رابطه P_int قدرت تولید شده داخلی و F فاکتور انتقال از سطح مشترک نیمه هادی- خروجی، می باشد. از این رو تخمین زدن درصد قدرت نوری منتشر شده، ممکن می باشد.

موقعی که خروجی نور به یک فیبر متصل می گردد، اتلاف بیشتری به وجود می‌آید. اگر برای فیبری با مشخصه پله ای فرض شود که 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 یک منبع Lambertion شدت تابش در یک زاویه ، بصورت زیر داده که در شکل 1-1 نشان داده می شود (I₀ شدت تابش در راستای خط می باشد).

منبعی که از هسته فیبر کوچکتر باشد و در مجاورت و نزدیکی 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 یک دیود گسیل در شکل 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 تکنیکهای خطی کردن مدار ضروری می باشد این عمل برای اطمینان از عملکرد خطی دیود در سیستم انتقال آنالوگ می باشد. شکلهای (a,b11-1) خروجی نور را در ازاء جریانهای مختلف برای انتشار دهنده های مسطح و اریب به ترتیب نشان می دهد. نکته قابل توجه آن است که 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 که کاربرد وسیعی در مخابرات نوری پیدا کرده 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 یک سطح GaAS ساخته می شود و با این عمل یک 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 انکسار داخلی کلی) خارج شود، بنابراین تشعشع بسیار پایین می باشد.

 

2-5-1- دیود گنبدی شکل

ساختار یک دیود نور گسیل گنبدی در زیر نشان داده شده است یک نیم کره نوع N، GaAS بدور یک ناحیه نوع P کشیده شده است قطر گنبد به گونه ای انتخاب می‌شود که میزان نشر داخلی ای را که به درون زاویه بحرانی سطح مشترک GaAS هوا می رسد، ماکزیمم 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 که سطح گنبد بسیار بزرگتر از سطح ترکیب مجدد اکتیو می باشد که این امر فضای نشر موثر بزرگتری را ارائه می دهد و در نتیجه میزان تشعشع کاهش می یابد.

3-5-1- دیود نور گسیل منتشر کننده اریب

این دیود که در زیر نشان داده شده است نشر کننده اریب DH با ساختار هندسی راه راه می باشد که در مخابرات نوری برای تشعشع زیاد مورد استفاده قرار می گیرد. لایه های نگه دار شفاف به همراه یک لایه فعال فیلی نازک (50 تا 100 میکرومتر) به منظور پخش نمودن نور تولید شده در لایه های فعال، بدرون لایه های نگه دار شفاف و کاهش 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

یک روش برای دسترسی به تشعشع بالا، محدود کردن تشعشع به یک ناحیه فعال کوچک درون دیود نور گسیل می باشد این تکنیک بوسیله Burrus و Dawson ابداع شده است. اساس کار استفاده از یک Etched Well در یک لایه زیرین GaAS به منظور جلوگیری از جذب شدید تشعشع منتشر شده در دیودهای نور گسیل با ساختار مشابه، و تطبیق فیزیکی 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 یک امیتر سطحی با تابش بالا برای باند طول موجی در شکل 5-1 نشان داده شده است. جذب داخلی در این دیود نور گسیل در اثر لایه‌های محدود کننده Gardland بزرگتر، خیلی کمتر می باشد. قدرت تزویج شده به یک فیبر با مشخصه پله ای بصورت زیر تخمین زده می شود.

(6-1)

که r ضریب انکسار در سطح فیبر، A سطح مقطع کوچکتر فیبر (ناحیه نشر منبع) و R_D تشعشع منبع می باشد البته این قدرت تزویج شده به فاکتورهای 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.

 

چکیده

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

فصل دوم

آشکارسازهای نوری

 

1-2- مقدمه

آشکار ساز نوری در یک سیستم به عنوان حساسترین قسمت مدار می باشد زیرا اگر دریافت سیگنال به درستی صورت نگیرد عملکرد مدار دچار اختلال می گردد و لذا این قسمت عملکرد تمام مدار را تحت شعاع ق رار می دهد. آشکارسازها باید فاکتورهایی را دارا باشند که کیفیت آنها را تضمین می کند.

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

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

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

د- پایداری مشخصات عملکردی. عملکرد نسبت به شرایط محیطی تا حد ممکن استقلال داشته باشد اگرچه در عمل مشخصاتی مانند نویز و گین درونی آنها با دما تغییر می کنند. برای اینکار باید از جبرانساز حرارتی استفاده کرد.

و- اندازه کوچک. اندازه فیزیکی آشکارساز برای تزویج موثر با فیبر کوچک باشد.

ی- پاسخ الکتریکی بزرگ نسبت به سیگنال دریافتی. آشکارساز باید یک سیگنال الکتریکی ماکزیمم را برای میزان قدرت نوری داده شده، تولید نماید.

هـ- ولتاژ بایاس کم و قابلیت اعتماد بالا. آشکارساز توانایی کارکرد پایدار مداوم در دمای اتاق را برای مدتهای طولانی داشته باشد.

2-2- آشکارسازهای نوری

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

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

 

واحد پاسخ دهی آمپر بر وات است.

پاسخ طیفی به منحنی پاسخ دهی آشکارساز به عنوان تابعی از طول موج اشاره می‌کند. به علت تغییرات سریع پاسخ دهی با طول موج، در دو ناحیه طیف نوری که تلفات تار کم است آشکارسازهای متفاوتی باید به کار گرفته شود.

زمان صعود عبارت است از زمان لازم برای جریان خروجی آشکارساز تا اینکه از 10% به 90% مقدار نهایی اش تغییر کند به شرطی که تغییرات توان نوری ورودی به شکل پله باشد.

3-2- ضریب جذب

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

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

 

که e باریک الکترون، r ضریب انعکاس در سطح مشترک 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 که مقدار این انرژی در جدول (1-2) نشان داده شده است.

4-2- بهره کوانتمی

هر فوتونی که انرژی آن از تابع کار بیشتر باشد الزاماً یک الکترون آزاد نخواهد کرد. این مشخصه با بهره کوانتمی گسیلند، توصیف می شود که عبارت است از:

=	تعداد الکترونهای ساطع شده	=	re	(2-2)
	تعداد فوتونهای تابشی برخورد کرده		rp

 

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

5-2- پاسخ دهی

مفهوم بهره کوانتمی، انرژی فوتون را در بر نمی گیرد. برای مشخص کردن تاثیر انرژی فوتون، از پاسخ استفاده می شود. با توجه به معادلات (1-2) و (2-2) و معادله انرژی یک 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 که اولاً جریان آشکارساز متناسب با توان نوری است. ثانیاً اینکه پاسخ بطور مستقیم با بهره کوانتمی، در یک طول موج ویژه متناسب می‌باشد. شکل (2-2) پاسخ دهی برحسب طول موج را بر ای یک آشکارساز سیلیکونی با بهره کوانتمی واحد در دو حالت ایده ال و عملی نشان می دهد.

6-2- طول موج قطع

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

(10-2)

که به نتیجه زیر می انجامد:

(11-2)

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

(12-2)

عبارت فوق امکان محاسبه بلندترین طول موج را برای آشکارسازی فوتوالکتریک مواد نیمه هادی مختلف مورد استفاده در ساخت آشکارسازها می دهد.