p - n επαφή και εκπομπή φωτονίων

Transcript

1 Οπτικοί πομποί

2 Το οπτικό φέρον σήμα που εισέρχεται στις οπτικές ίνες παράγεται από: Led (Light Emission Diodes, Φωτοδίοδοι): εκπομπή ασύμφωνου (incoherent) φωτός, όπου η εκπομπή φωτονίων είναι αυθόρμητη. Laser (Light Amplification stimulated by emission of radiation) ημιαγωγού: εκπομπή σύμφωνου φωτός (coherent), όπου η εκπομπή φωτονίων είναι εξαναγκασένη. Το φέρον σήμα διαμορφώνεται: Στην πηγή του φωτός, εφαρμόζοντας το σήμα της πληροφορίας στην τροφοδοσία της. Με εξωτερικούς οπτικούς διαμορφωτές που διασυνδέονται στην έξοδο της πηγής.

3 Απαιτήσεις πομπών Λειτουργία στα παράθυρα ελάχιστης εξασθένησης: 850, 1310 ή 1550 nm To εκπεμπόμενο σήμα να είναι μονοχρωματικό με εύρος εκπομπής Δλ < 50 nm Η ισχύς του πομπού να είναι της τάξης του 1 mw. O χρόνος ανόδου (rise time) του οπτικού πομπού να είναι της τάξης των 35ps δίνοντας ρυθμό μετάδοσης (προσεγγιστικός τύπος) R=0,35/t rise =10GBps. H επιφάνεια εκπομπής του πομπού να έχει αντίστοιχες διαστάσεις με τις οπτικές ίνες. Σταθερή λειτουργία που να μην επηρεάζεται από τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Να έχει υψηλή αξιοπιστία. Να έχει χαμηλό κόστος.

4 p - n επαφή και εκπομπή φωτονίων Ο μηχανισμός που δημιουργεί ακτινοβολία στα laser και led ημιαγωγών είναι η σύνδεση οπών και ελεύθερων ηλεκτρονίων σε μία p-n επαφή. Η ενέργεια των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι μεγαλύτερη πριν την σύνδεση και μέρος αυτής ακτινοβολείται με τη μορφή φωτονίων.

5 Εξαναγκασμένη και αυθόρμητη εκπομπή Όταν ένα φωτόνιο αλληλεπιδράσει με ένα ηλεκτρόνιο σθένους (όχι ελεύθερο) το ηλεκτρόνιο απορροφά την ενέργεια και δημιουργείται ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Όταν ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο συνδεθεί αυθόρμητα με μια οπή, δηλαδή μετατραπεί σε ηλεκτρόνιο σθένους, ένα μέρος της ενέργειας του μετατρέπεται σε ένα φωτόνιο. Όταν ένα φωτόνιο αλληλεπιδράσει με ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο τότε το εξαναγκάζει να συνδεθεί με μια οπή, δηλαδή να μετατραπεί σε ηλεκτρόνιο σθένους. Προκύπτει με αυτό τον τρόπο ένα δεύτερο φωτόνιο ίδιας συχνότητας φάσης και πολικότητας.

6 Γεωμετρικές μορφές διατάξεων Α) Ομοιοδομή: υπάρχει ένα μόνο υλικό που έχει προσμίξεις p και n. B) Διπλή ετεροδομή με επίπεδη ενεργό περιοχή. To υλικό τύπου p είναι διαφορετικό απο το τύπου n. C) Θαμένη (buried) διπλή ετεροδομή D) Εκπομπή επιφάνειας Το μήκος κύματος εκπομπής εξαρτάται απο τα υλικά του ημιαγωγού. Χρησιμοποιούνται κυρίως In, Ga, As, P

7 Τυπικές επιδόσεις LED Οι βασικοί τύποι led είναι: Επιφανειακής εκπομπής (surface emitting leds) Πλευρικής εκπομπής (Edge-emitting leds) Τα υλικά που χρησιμοποιούνται είναι κυρίως AlGaAs και GaAs τύπου p και n Εκπεμπόμενη ισχύς: της τάξης του 0,1 mw Εύρος μήκους κύματος: 5-50nm Διαστάσεις ενεργού περιοχής : 50μm Γωνιακό άνοιγμα δέσμης: 30 o ~ 120 o

8 Αρχή λειτουργίας laser ημιαγωγών Φωτόνια δημιουργούνται στην ενεργό περιοχή του ημιαγωγού. Μέρος από το φως που βγαίνει από τον ημιαγωγό ανακλάται στον καθρέπτη και εισάγεται πάλι στον ημιαγωγό όπου και ενισχύεται. Οι καθρέπτες παίζουν τον ρόλο της ανάδρασης του ενισχυτή. Στον ημιαγωγό κυριαρχεί η δημιουργία φωτονίων από εξαναγκασμένη εκπομπή. Αυτό επιτυγχάνεται με την παροχή πληθώρας ελεύθερων ηλεκτρονίων στην ενεργό περιοχή. Σαν αποτέλεσμα έχουμε φωτόνια ίδιας συχνότητας φάσης και πόλωσης. Το σύστημα των καθρεπτών λειτουργεί και σαν συντονιζόμενο φίλτρο που αφήνει μόνο μια συχνότητα φωτός. Το αποτέλεσμα είναι μια δέσμη φωτός σύμφωνης ακτινοβολίας και μεγάλης έντασης.

9 Τύποι laser ημιαγωγών Οι βασικοί τύποι laser ημιαγωγών είναι: Fabry Perot, τα φωτόνια αντανακλώνται στα τοιχώματα της δομής όπου υπάρχουν ανακλαστικές επιφάνειες που σχηματίζουν κοιλότητα τύπου Fabry-Perot: Θαμμένης ετεροδομής Buried Heterostructured (BH) Multi Quantum Well (MQW), η ενεργός περιοχή αποτελείται απο πολλές στενές στήλες Distributed Feed-Back (DFB), τα φωτόνια ανακλώνται στην ενεργό περιοχή σε ένα πλέγμα απο τοιχώματα

10 Τυπικές επιδόσεις Laser Ρεύμα κατωφλίου ma Εκπεμπόμενη ισχύς της τάξης του 1 mw Εύρος μήκους κύματος: 0,1 5 nm Διαστάσεις ενεργού περιοχής: 0,1 0,5 μm Γωνιακό άνοιγμα δέσμης: 10 ο 35 ο Μπορούν να διαμορφώσουν ψηφιακά σήματα μέχρι και 10Gbps. Σε αυτό βοηθά η ύπαρξη ρεύματος κατωφλίου. Χρησιμοποιούνται σχεδόν αποκλειστικά με μονότροπες οπτικές ίνες Το laser εκπέμπει σύμφωνο φως μετά απο την τιμή ρεύματος πόλωσης: I th (ρεύμα κατωφλίου).

11 Διαμόρφωση φέροντος Το οπτικό φέρον σήμα που παράγει η πηγή έχει την μορφή: c(t)=a o cos(2πf o +φ ο ) Στα ινοοπτικά συστήματα χρησιμοποιείται η διαμόρφωση πλάτους: ΑΜ εάν το σήμα πληροφορίας είναι αναλογικό ASK εάν το σήμα πληροφορίας είναι ψηφιακό Σχεδόν αποκλειστικά στις ζεύξεις οπτικών ινών η πληροφορία είναι ψηφιακή οπότε το μεταδιδόμενο σήμα (διαμορφωμένο) σήμα είναι της μορφής s(t) = m(t). c(t) = m(t). A o cos(2πf o +φ ο ) όπου m(t) το σήμα της ψηφιακής παλμοσειράς

12 Άμεση διαμόρφωση Στην άμεση διαμόρφωση (direct modulation) το σήμα της πληροφορίας (παλμοσειρά) μεταβάλλει απευθείας το ρεύμα της πηγής. Η πηγή αναβοσβήνει ανάλογα με το αν εφαρμόζεται κατάσταση 1 ή 0. Υλοποιείται εύκολα. Δεν ενδείκνυται για υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης λόγω εμφάνισης τρέμουλου φάσης. Αυτό οφείλεται στο οτι το ρεύμα πόλωσης δεν προλαβαίνει να πάρει υψηλές τιμές πάνω από το κατώφλι. m(t) laser

13 Ηλεκτροοπτικοί διαμορφωτές με κατευθυντικό συζεύκτη Ο διαμορφωτής κατασκευάζεται σε υπόστρωμα απο το ηλεκτροοπτικό υλικό LiNbO 3 Όταν εφαρμοστεί τάση U(t) διαφοροποιούνται οι δείκτες διάθλασης των δύο κυματοδηγών κατά Δn. Αυτή η διαφοροποίηση επηρεάζει την συνθήκη σύζευξης αλλάζοντας το ποσό της ενέργειας που περνά στην έξοδο P 4. Εάν εφαρμόσουμε το σήμα πληροφορίας m(t) αντι της U(t) και εισάγουμε το φέρον στην είσοδο 1 του διαμορφωτή τότε η ισχύς στην έξοδο P 3 θα αυξομειώνεται ανάλογα με το σήμα m(t).

14 Ηλεκτροοπτικοί διαμορφωτές με συμβολόμετρο Mach-Zehnder Και αυτός ο διαμορφωτής κατασκευάζεται επίσης σε υπόστρωμα απο το ηλεκτροοπτικό υλικό LiNbO 3 Στον διαμορφωτή το οπτικό σήμα διαμοιράζεται απο τον συζεύκτη εισόδου σε δυο ίσα τμήματα. Το σήμα πληροφορίας εφαρμόζεται μέσω ηλεκτροδίων μόνο στον ένα κλάδο του συμβολόμετρου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να δημιουργείται διαφορά φάσης Δφ μεταξύ των σημάτων των δύο κλάδων. Αυτή η διαφορά φάσης εκδηλώνεται ως διαφοροποίηση των ισχύων εξόδου σύμφωνα με τις σχέσεις: P 3 =P 0 cos 2 (Δφ/2) P 4 =P 0 sin 2 (Δφ/2)