دانلود پروژه رشته برق در مورد مولدهای نوری – قسمت دوم

دانلود پایان نامه

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.

نکته مهم : برای استفاده از متن کامل تحقیق یا مقاله می توانید فایل ارجینال آن را از پایین صفحه دانلود کنید. سایت ما حاوی تعداد بسیار زیادی مقاله و تحقیق دانشگاهی در رشته های مختلف است که می توانید آن ها را به رایگان دانلود کنید

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، Ip، بوسیله نور تابشی با قدرت نوری P0، بوسیله ارتباط 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 rp 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.

1-7-2- دیود فتوالكتریك p-n

آشكارسازی در یك دیود فتوالكتریك p-n در شكل (3-2) نشان داده شده است. دیود بصورت معكوس بایاس می شود و میدان الكتریكی حاصله در اطراف اتصال الكترونها و حفره ها را به سمت الكثریت نسبی جارو می كند بنابراین یك لایه تخلیه در هر طرف اتصال بوجود می آید. كه باعث متوقف شدن حاملهای اكثریت در جهت خلاف میدان می شود. تحت تاثیر همین میدان، حاملهای اقلیت جریان معكوس نشتی دیود را ایجاد می كنند یك تابش الكترونی درون ناحیه محدود كننده این دیود، با انرژی ای بزرگتر از انرژی معادل Bandgap ماده ساخته شده، Eg، الكترونی را از باند ظرفیت به باند هدایت منتقل می كند. یك جفت حفره- الكترون تولید می شود. مانند آنچه كه در شكل (a3-2) نشان داده شده است. جفتهای حامل تولید شده در نزدیكی محل اتصال جدا می شوند و تحت تاثیر میدان تولید یك جریان جابجایی در مدار خارجی می نماید كه در شكل (b3-2) نشان داده شده است. تولید نور و جدا شدن یك جفت حامل هم در شكل (c3-2) نشان داده شده است.

شكل (4-2) یك دیود فتوالكتریك p-n را با دو ناحیه نشر و ناحیه محدود كننده نشان می دهد.

پهنای ناحیه محدود كننده به تمركز تقویت برای بایاس معكوس بكار گرفته شده، بستگی دارد. فوتونها ممكن است هم در ناحیه محدود كننده و هم در ناحیه انتشار بوسیله ناحیه جذب، جذب شوند. موقعیت جذب و پهنای آن، به انرژی فوتونهای تابشی و مواد بكار رفته بستگی دارد بنابراین در حالت جذب ضعیف فوتونها، ناحیه جذب بطور كامل وسیع می شود و زوج الكترون- حفره در هر دو ناحیه تولید می‌شوند. در ناحیه محدود كننده زوجها جدا هستند و در اثر میدان انحراف می یابند در حالیكه در خارج آن حفره ها به سمت ناحیه محدود كننده انتشار می یابند. انتشار در مقابل انحراف بسیار آهسته تر می باشد و بنابراین پاسخ محدود می شود. بنابراین مهم این است كه فوتونها در ناحیه محدود كننده جذب شوند. بنابراین تا حد ممكن طولانی تر می سازند. ناحیه محدود كننده در دیودها معمولاً می باشد. در انواع سیلیكونی ناحیه محدود كننده در طیف مرئی است و برای ژرمانیم نزدیك مادون قرمز می باشد.

2-7-2- دیود فتوالكتریك p-i-n

برای اینكه دیود فتوالكتریك در طول موجهای بلندتر كار كند ناحیه محدود كننده وسیعتری لازم است. برای رسیدن به این منظور ماده نوع n آنچنان تضعیف می شود كه می تواند نیمه هادی ذاتی در نظر گرفته شود. برای اتصال اهمی با مقاومت كم از یك لایه با آلایش زیاد (n+) استفاده می شود. این ساختار در شكل (5-2) نشان داده شده است. تقریباً قسمت اعظم جذب داخل ناحیه محدود كننده می باشد.

به علت قرار رگفتن ناحیه n، ظرفیت خازنی در این حالت نسبت به نوع p-n كاهش می یابد. در نتیجه سرعت كلید زنی از حدود در حال اول به حدود 10ns در حالت دوم كاهش می یابد. دیودهای PIN عمدتاً از سیلسیوم ساخته می شوند. اما برای كار در طول موجهای بالاتر از ژرمانیوم و نیمه هادیهای گروه III-V استفاده می‌شود كه پاسخ دهی به میزان قابل توجهی افزایش می یابد.

3-7-2- دیود فتوالكتریك بهمنی

دیود نوری بهمنی (APD) یك آشكارساز نیمه هادی پیوندی با بهره داخلی است كه پاسخ دهی آن را نسبت به آشكارسازهای pn و PIN بهتر می كند. اساس كار ایجاد یك جریان بهمنی می باشند. مكانیزم عملكرد به این صورت است كه یك فوتون در ناحیه تهی جذب می شود و یك جفت الكترون- حفره بوجود می آورد. نیروهای الكتریكی بزرگ در ناحیه تهی باعث شتاب دادن این بارها و كسب انرژی جنبشی توسط آنها می شود. وقتی بارها با سرعت بالا به اتمهای خنثی برخورد می كنند قسمتی از انرژی جنبشی آنها صرف بالا بردن الكترونها از شكاف انرژی و تولید زوجهای جدید می شود. یك بار شتابدار قادر به تولید چندبار ثانیه جدید است. همین طور فرآیند تكرار می شود این فرآیند چند برابر شدن بهمنی است. پاسخ دهی بهمنی غالباً در حدود 20 تا A/W80 است.

دیودهایAPD در محدوده توانهای نوری از كسری از نانووات تاچندین میكرووات رفتار خطی بسیار خوبی دارند بهره این دیود به دما وابسته است و عموماً با افزایش دما كاهش می یابد. در گیرنده های APD كه در رنج حرارتی وسیعی كار می كنند ممكن است جبران دما لازم باشد. شكل (7-2) ساختمان یك دیود APD را نشان می دهد.

 

فصل سوم

فیبر نوری

 

1-3- مقدمه

در سیستمهای با سیم، موج حامل كه به طریقی ایجاد شده است، بوسیله سیگنال مدوله می شود. آنگاه موج مدوله شده در داخل كابل هم محور انتشار پیدا می كند كه این مدولاسیون می‌تواند از نوع دامنه یا فركانس باشد و در آشكار ساز دمدوله می‌شود. در مخابرات تار نوری مدولاسیون براساس شدت نور خروجی استفاده می شود كه بوسیله تغییرات جریان الكتریكی تزریق‌شده به داخل منابع نور گسیل یا لیزر نیمه‌هادی حاصل می شود. این سیگنال مدوله شده بوسیله نور از طریق فیبر نوری انتقال می یابد در سال 1966 موج برهای دی الكتریك و فیبرهای ساخته شده از شیشه تقریباً بطور همزمان ارائه شدند و مشكل افت و از بین رفتن سیگنال به واسطه انتشار در فضای آزاد مرتفع شد.

در آغاز فیبرها افتی شدید حدود 1000 داشتند كه در مقابل افت كابلهای كواكسیال در حدود (10-5) قابل مقایسه نبود. بتدریج با پیشرفت تكنولوژی امروزه تولید كابلهایی با افت كمتر از 2/0 هم ممكن شده است. از مشكلات جدی در فیبرها تلفات ناشی از اتصال فیبرها می باشد. بطوریكه هنگام اتصال فیبرها تلفات باید در حد خیلی كمی باشد. با تكنیكهای مناسب این افت به حدود 2 تقلیل یافته است.

2-3- سیستم مخابرات نوری

در شكل (1-3) یك سیستم مخابرات نوری دیجیتال نشان داده شده است.

ابتدا سیگنال آنالوگ به كدهای صفر و یك دیجیتالی كد می شود و این پالسهای كد شده به المان نور گسیل اعمال می شود و نور از طریق خط انتقال فیبر نوری به آشكارساز می رسد این نور با تبدیل به سیگنال الكتریكی و تقویت شدن و بازیابی كامل دیكد می شود و سیگنال ورودی بدست می آید.

3-3- مزایای فیبر نوری

انگیزه های خیلی زیادی وجود دارد كه مهندسان را به استفاده از فیبر نوری تشویق می‌كند كه تعدادی از آنها در ادامه ذكر شده است.

تضعیف كم. با توسعه فن آوری امروزه دستیابی به فیبرهای با افت 2/0 ممكن شده است كه در مقایسه با كابلهای انتقال اطلاعات از افت بسیار كمتری برخوردار است. این امر باعث كوچك شدن سیستمها در دو طرف خط انتقال می گردد و صرفه جویی خوبی در هزینه ها را در بر دارد.

پهنای باند زیاد. فركانس كریر نور در محدوده HZ16 10-13 10 است. بنابراین پهنای باند وسیعی را در بر می گیرد.

برای مثال یك مقایسه بین یك كابل تلفنی استاندارد و یك كابل تاری این مطلب را بهتر نشان می دهد. كابل فلزی شامل 900 جفت سیم به هم پیچیده می باشد و قطر آن 70 میلی متر است و هر جفت، 24 كانال صوتی را منتقل می كند (استاندارد T1) با این حساب ظرفیت كابل 21600 كانال است. در حالیكه یك كابل فیبر كه برای تلفن ساخته شده است 7/12 میلی متر قطر داشته و شامل 144 تار است كه هر تار 672 كانال را پوشش می دهد و با این حساب ظرفیت كل كابل برابر 96768 كانال تلفنی است. یعنی فیبر ظرفیتی معادل 5/4 برابر داشته در حالیكه سطح آن 30 مرتبه كمتر است.

مصونیت از تداخل. فیبر نوری از جنس شیشه یا پلاستیك است و عایق می باشد. بنابراین پالسهای الكترومغناطیسی را نمی گیرند و یا منتشر نمی كنند. بنابراین مشكل تداخل فركانسهای رادیویی، نویز پذیری و تداخل الكترومغناطیسی را ندارند و حتی می توانند همراه با خطوط انتقال نیرو بكار گرفته شوند.

امنیت اطلاعات. چون تارها انرژی تشعشع نمی كنند، برای یك مزاحم، آشكاسازی سیگنال ارسالی مشكل است. برای دسترسی به سیگنال، تار می بایستی بطور فیزیكی شكسته شود. قطع تار و یا اتصال یك تار جدید به تار ارسال كننده، دسترسی به پرتو را ممكن می سازد.

ایزوله الكتریكی. به علت عایق بودن، جریان الكتریكی در اثر سیگنال ارسالی و یا در اثر تشعشعات خارجی كه به تار برخورد می كنند از آنها نمی گذرد، بنابراین در برابر پدیده هایی مانند رعد و برق و جرقه كاملاً ایمن است. همچنین می توان آنها را به همراه خطوط قدرت بكار گرفت.

همچنین ارزان بودن سیستم فیبر نوری و قابلیت اعتماد به علت سادگی سیستم، از دیگر مزایای فیبر نوری می باشد.

4-3- فیبر نوری

از اوایل قرن بیستم انتقال نور در موج های دی الكتریك مورد بررسی قرار گرفته است. ابتدا از میله های شیشه‌ای با ضریب شكست 5/1 كه پوشش خاصی هم نداشتند استفاده می شد. اما تلفات ناشی از انتشار در هوا و غیره باعث می شد كه كاربرد این موج برها حالت عملی به خود نگیرد. و لذا فیبرهای با ساختار شكل (2-3) مورد استفاده قرار گیرد.

شكل

موج در اصل در لایه میانی كه ضریب شكستی برابر n1 دارد، حركت می كند این لایه آنقدر كوچك است، كه به عنوان یك فیلم تلقی می شود این فیلم توسط غلافی با ضریب شكست كوچكتر n2، پوشیده شده است. اشعه نور توسط انعكاس كامل در مرزهای بین فیلم و غلاف مقید به انتشار درون فیلم می باشد. انعكاس كامل هم با توجه به شرط n1>n2 رخ می دهد. بنابراین برای تمام زوایای بزرگتر از زاویه بحرانی و تا زاویه 90 درجه انعكاس كامل وجود دارد. زاویه بحرانی در مرز هسته و غلاف از ارتباط زیر بدست می آید كه نام دارد.

در موج بر آن دسته از پرتوها با استفاده از بازتابش كلی قابلیت انتشار را می یابند كه با زاویه ای كوچك به موج بر وارد شوند و در واقع با خطوط عمود بر سطح زاویه‌ای بزرگتر از زاویه بحرانی بسازند.

در فیبرها، كمیتی به نام روزنه عددی تعریف می شود كه علت ارایه آن رسیدن به تئوری انتشار از دید الكترومغناطیسی است كه روابط آن در زیر آمده است.

برای دیدن قسمت های دیگر این تحقیق لطفا” از منوی جستجوی سایت که در قسمت بالا قرار دارد استفاده کنید. یا از منوی سایت، فایل های دسته بندی رشته مورد نظر خود را ببینید.

با فرمت ورد

Leave a comment