فرمت ورد:دانلود پروژه رشته برق در مورد مولدهاي نوري – قسمت دوم

دانلود پایان نامه

هـ- ولتاژ باياس كم و قابليت اعتماد بالا. آشكارساز توانايي كاركرد پايدار مداوم در دماي اتاق را براي مدتهاي طولاني داشته باشد.

2-2- آشكارسازهاي نوري

انتشار نور در وسايل نيمه هادي بخصوص در ديودهاي نيمه هادي بخوبي انجام مي‌گردد. اين وسايل داراي پيوندهاي نيمه هادي هستند كه در آنها حاملهاي بار آزاد (الكترونها و حفره ها) با جذب فوتونهاي ورودي ايجاد مي شوند. اين مكانيزم گاهي اثر فوتوالكتريك داخلي ناميده مي گردد. سه وسيله معمول كه از اين پديده بهره گیری مي‌كنند عبارتند از: ديود نوري داراي پيوند pn، ديود نوري PIN و ديود نوري بهمني. ويژگيهاي مهم آشكارسازها عبارتند از: پاسخ دهي، پاسخ طيفي و زمان صعود.

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

پاسخ دهي برابر می باشد با نسبت جريان خروجي آشكارساز به توان نوري ورودي كه بصورت زير بيان مي گردد:

واحد پاسخ دهي آمپر بر وات می باشد.

پاسخ طيفي به منحني پاسخ دهي آشكارساز به عنوان تابعي از طول موج تصریح مي‌كند. به علت تغييرات سريع پاسخ دهي با طول موج، در دو ناحيه طيف نوري كه تلفات تار كم می باشد آشكارسازهاي متفاوتي بايد به كار گرفته گردد.

زمان صعود عبارت می باشد از زمان لازم براي جريان خروجي آشكارساز تا اينكه از 10% به 90% مقدار نهايي اش تغيير كند به شرطي كه تغييرات توان نوري ورودي به شكل پله باشد.

3-2- ضريب جذب

جذب فوتونها در ديود فتوالكتريك به مقصود توليد جفتهاي حامل مي باشد كه نتيجه آن جريان فتوني اي می باشد كه به a0، ضريب جذب نور در نيمه هادي مورد بهره گیری بستگي دارد.

در يك طول موج ويژه و با فرض اينكه فقط انتقال Bandgap هست، جريان فتوالكتريك توليد شده، Ip، بوسيله نور تابشي با قدرت نوري P0، بوسيله ارتباط زير محاسبه مي گردد:

كه e باريك الكترون، r ضريب انعكاس در سطح مشترك نيمه هادي- هوا و d پهناي ناحيه جذب مي باشد. ضريب جذب مواد به شدت به طول موج وابسته مي‌باشد. تفاوت بين منحني هاي جذب مواد، از انرژي Bandgap متفاوت آنها نشات مي‌گيرد كه مقدار اين انرژي در جدول (1-2) نشان داده شده می باشد.

4-2- بهره كوانتمي

هر فوتوني كه انرژي آن از تابع كار بيشتر باشد الزاماً يك الكترون آزاد نخواهد كرد. اين مشخصه با بهره كوانتمي گسيلند، توصيف مي گردد كه عبارت می باشد از:

= تعداد الكترونهاي ساطع شده = re (2-2)
تعداد فوتونهاي تابشي برخورد كرده rp

 

اين ضريب معمولاً كمتر از واحد مي باشد. زيرا همه فوتونهاي تابشي براي توليد جفتهاي الكترون- حفره جذب نمي شوند. اين ضريب تابعي از طول موج فوتون مي‌باشد و بنابراين فقط براي يك طول موج ويژه بيان مي گردد.

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را در شماره بندی انتهای صفحه بخوانید              

5-2- پاسخ دهي

مفهوم بهره كوانتمي، انرژي فوتون را در بر نمي گيرد. براي مشخص كردن تاثير انرژي فوتون، از پاسخ بهره گیری مي گردد. با در نظر داشتن معادلات (1-2) و (2-2) و معادله انرژي يك فوتون (E=hf) مي توان سرعت فوتون تابشي rp را برحسب قدرت نوري و انرژي فوتون به صورت زير نوشت:

                                                                               (3-2)

در ادامه داريم:

                                                                               (4-2)

                                                                             (5-2)

                                                                           (6-2)

                                                                                (7-2)

                                                                                 (8-2)

                                                                              (9-2)

روابط فوق نشان مي دهد كه اولاً جريان آشكارساز متناسب با توان نوري می باشد. ثانياً اينكه پاسخ بطور مستقيم با بهره كوانتمي، در يك طول موج ويژه متناسب مي‌باشد. شكل (2-2) پاسخ دهي برحسب طول موج را بر اي يك آشكارساز سيليكوني با بهره كوانتمي واحد در دو حالت ايده ال و عملي نشان مي دهد.

6-2- طول موج قطع

براي ساخت آشكارسازهاي فتوالكتريك لازم می باشد كه انرژي فوتونهاي تابشي بزرگتر يا مساوي با انرژي Bandgap ماده بهره گیری شده باشد. بنابراين انرژي فوتون عبارت خواهد بود از:

                                                                            (10-2)

كه به نتيجه زير مي انجامد:

                                                                             (11-2)

بنابراين آستانه آشكارسازي عموماً به عنوان نقطه طول موج بلند قطع، ، بصورت زير داده مي گردد:

                                                                            (12-2)

عبارت فوق امكان محاسبه بلندترين طول موج را براي آشكارسازي فوتوالكتريك مواد نيمه هادي مختلف مورد بهره گیری در ساخت آشكارسازها مي دهد.

1-7-2- ديود فتوالكتريك p-n

آشكارسازي در يك ديود فتوالكتريك p-n در شكل (3-2) نشان داده شده می باشد. ديود بصورت معكوس باياس مي گردد و ميدان الكتريكي حاصله در اطراف اتصال الكترونها و حفره ها را به سمت الكثريت نسبي جارو مي كند بنابراين يك لايه تخليه در هر طرف اتصال به وجودمي آيد. كه باعث متوقف شدن حاملهاي اكثريت در جهت خلاف ميدان مي گردد. تحت تاثير همين ميدان، حاملهاي اقليت جريان معكوس نشتي ديود را ايجاد مي كنند يك تابش الكتروني درون ناحيه محدود كننده اين ديود، با انرژي اي بزرگتر از انرژي معادل Bandgap ماده ساخته شده، Eg، الكتروني را از باند ظرفيت به باند هدايت منتقل مي كند. يك جفت حفره- الكترون توليد مي گردد. مانند آن چیز که كه در شكل (a3-2) نشان داده شده می باشد. جفتهاي حامل توليد شده در نزديكي محل اتصال جدا مي شوند و تحت تاثير ميدان توليد يك جريان جابجايي در مدار خارجي مي نمايد كه در شكل (b3-2) نشان داده شده می باشد. توليد نور و جدا شدن يك جفت حامل هم در شكل (c3-2) نشان داده شده می باشد.

شكل (4-2) يك ديود فتوالكتريك p-n را با دو ناحيه نشر و ناحيه محدود كننده نشان مي دهد.

پهناي ناحيه محدود كننده به تمركز تقويت براي باياس معكوس بكار گرفته شده، بستگي دارد. فوتونها ممكن می باشد هم در ناحيه محدود كننده و هم در ناحيه انتشار بوسيله ناحيه جذب، جذب شوند. موقعيت جذب و پهناي آن، به انرژي فوتونهاي تابشي و مواد بكار رفته بستگي دارد بنابراين در حالت جذب ضعيف فوتونها، ناحيه جذب بطور كامل وسيع مي گردد و زوج الكترون- حفره در هر دو ناحيه توليد مي‌شوند. در ناحيه محدود كننده زوجها جدا هستند و در اثر ميدان انحراف مي يابند در حاليكه در خارج آن حفره ها به سمت ناحيه محدود كننده انتشار مي يابند. انتشار پیش روی انحراف بسيار آهسته تر مي باشد و بنابراين پاسخ محدود مي گردد. بنابراين مهم اين می باشد كه فوتونها در ناحيه محدود كننده جذب شوند. بنابراين تا حد ممكن طولاني تر مي سازند. ناحيه محدود كننده در ديودها معمولاً مي باشد. در انواع سيليكوني ناحيه محدود كننده در طيف مرئي می باشد و براي ژرمانيم نزديك مادون قرمز مي باشد.

2-7-2- ديود فتوالكتريك p-i-n

براي اينكه ديود فتوالكتريك در طول موجهاي بلندتر كار كند ناحيه محدود كننده وسيعتري لازم می باشد. براي رسيدن به اين مقصود ماده نوع n آنچنان تضعيف مي گردد كه مي تواند نيمه هادي ذاتي در نظر گرفته گردد. براي اتصال اهمي با مقاومت كم از يك لايه با آلايش زياد (n+) بهره گیری مي گردد. اين ساختار در شكل (5-2) نشان داده شده می باشد. تقريباً قسمت اعظم جذب داخل ناحيه محدود كننده مي باشد.

به علت قرار رگفتن ناحيه n، ظرفيت خازني در اين حالت نسبت به نوع p-n كاهش مي يابد. در نتيجه سرعت كليد زني از حدود در حال اول به حدود 10ns در حالت دوم كاهش مي يابد. ديودهاي PIN اکثراً از سيلسيوم ساخته مي شوند. اما براي كار در طول موجهاي بالاتر از ژرمانيوم و نيمه هاديهاي گروه III-V بهره گیری مي‌گردد كه پاسخ دهي به ميزان قابل توجهي افزايش مي يابد.

3-7-2- ديود فتوالكتريك بهمني

ديود نوري بهمني (APD) يك آشكارساز نيمه هادي پيوندي با بهره داخلي می باشد كه پاسخ دهي آن را نسبت به آشكارسازهاي pn و PIN بهتر مي كند. اساس كار ايجاد يك جريان بهمني مي باشند. مكانيزم عملكرد به اين صورت می باشد كه يك فوتون در ناحيه تهي جذب مي گردد و يك جفت الكترون- حفره به وجودمي آورد. نيروهاي الكتريكي بزرگ در ناحيه تهي باعث شتاب دادن اين بارها و كسب انرژي جنبشي توسط آنها مي گردد. وقتي بارها با سرعت بالا به اتمهاي خنثي برخورد مي كنند قسمتي از انرژي جنبشي آنها صرف بالا بردن الكترونها از شكاف انرژي و توليد زوجهاي جديد مي گردد. يك بار شتابدار قادر به توليد چندبار ثانيه جديد می باشد. همين گونه فرآيند تكرار مي گردد اين فرآيند چند برابر شدن بهمني می باشد. پاسخ دهي بهمني غالباً در حدود 20 تا A/W80 می باشد.

ديودهايAPD در محدوده توانهاي نوري از كسري از نانووات تاچندين ميكرووات رفتار خطي بسيار خوبي دارند بهره اين ديود به دما وابسته می باشد و عموماً با افزايش دما كاهش مي يابد. در گيرنده هاي APD كه در رنج حرارتي وسيعي كار مي كنند ممكن می باشد جبران دما لازم باشد. شكل (7-2) ساختمان يك ديود APD را نشان مي دهد.

 

فصل سوم

فيبر نوري

 

1-3- مقدمه

در سيستمهاي با سيم، موج حامل كه به طريقي ايجاد شده می باشد، بوسيله سيگنال مدوله مي گردد. آنگاه موج مدوله شده در داخل كابل هم محور انتشار پيدا مي كند كه اين مدولاسيون مي‌تواند از نوع دامنه يا فركانس باشد و در آشكار ساز دمدوله مي‌گردد. در مخابرات تار نوري مدولاسيون براساس شدت نور خروجي بهره گیری مي گردد كه بوسيله تغييرات جريان الكتريكي تزريق‌شده به داخل منابع نور گسيل يا ليزر نيمه‌هادي حاصل مي گردد. اين سيگنال مدوله شده بوسيله نور از طريق فيبر نوري انتقال مي يابد در سال 1966 موج برهاي دي الكتريك و فيبرهاي ساخته شده از شيشه تقريباً بطور همزمان ارائه شدند و مشكل افت و از بين رفتن سيگنال به واسطه انتشار در فضاي آزاد مرتفع گردید.

در آغاز فيبرها افتي شديد حدود 1000 داشتند كه پیش روی افت كابلهاي كواكسيال در حدود (10-5) قابل مقايسه نبود. بتدريج با پيشرفت تكنولوژي امروزه توليد كابلهايي با افت كمتر از 2/0 هم ممكن شده می باشد. از مشكلات جدي در فيبرها تلفات ناشي از اتصال فيبرها مي باشد. بطوريكه هنگام اتصال فيبرها تلفات بايد در حد خيلي كمي باشد. با تكنيكهاي مناسب اين افت به حدود 2 تقليل يافته می باشد.

2-3- سيستم مخابرات نوري

شما می توانید مطالب مشابه این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید                     

در شكل (1-3) يك سيستم مخابرات نوري ديجيتال نشان داده شده می باشد.

آغاز سيگنال آنالوگ به كدهاي صفر و يك ديجيتالي كد مي گردد و اين پالسهاي كد شده به المان نور گسيل اعمال مي گردد و نور از طريق خط انتقال فيبر نوري به آشكارساز مي رسد اين نور با تبديل به سيگنال الكتريكي و تقويت شدن و بازيابي كامل ديكد مي گردد و سيگنال ورودي بدست مي آيد.

3-3- مزاياي فيبر نوري

انگيزه هاي خيلي زيادي هست كه مهندسان را به بهره گیری از فيبر نوري تشويق مي‌كند كه تعدادي از آنها در ادامه ذكر شده می باشد.

تضعيف كم. با توسعه فن آوري امروزه دستيابي به فيبرهاي با افت 2/0 ممكن شده می باشد كه در مقايسه با كابلهاي انتقال اطلاعات از افت بسيار كمتري برخوردار می باشد. اين امر باعث كوچك شدن سيستمها در دو طرف خط انتقال مي گردد و صرفه جويي خوبي در هزينه ها را در بر دارد.

پهناي باند زياد. فركانس كرير نور در محدوده HZ16 10-13 10 می باشد. بنابراين پهناي باند وسيعي را در بر مي گيرد.

براي مثال يك مقايسه بين يك كابل تلفني استاندارد و يك كابل تاري اين مطلب را بهتر نشان مي دهد. كابل فلزي شامل 900 جفت سيم به هم پيچيده مي باشد و قطر آن 70 ميلي متر می باشد و هر جفت، 24 كانال صوتي را منتقل مي كند (استاندارد T1) با اين حساب ظرفيت كابل 21600 كانال می باشد. در حاليكه يك كابل فيبر كه براي تلفن ساخته شده می باشد 7/12 ميلي متر قطر داشته و شامل 144 تار می باشد كه هر تار 672 كانال را پوشش مي دهد و با اين حساب ظرفيت كل كابل برابر 96768 كانال تلفني می باشد. يعني فيبر ظرفيتي معادل 5/4 برابر داشته در حاليكه سطح مقطع آن 30 مرتبه كمتر می باشد.

مصونيت از تداخل. فيبر نوري از جنس شيشه يا پلاستيك می باشد و عايق مي باشد. بنابراين پالسهاي الكترومغناطيسي را نمي گيرند و يا منتشر نمي كنند. بنابراين مشكل تداخل فركانسهاي راديويي، نويز پذيري و تداخل الكترومغناطيسي را ندارند و حتي مي توانند همراه با خطوط انتقال نيرو بكار گرفته شوند.

امنيت اطلاعات. زیرا تارها انرژي تشعشع نمي كنند، براي يك مزاحم، آشكاسازي سيگنال ارسالي مشكل می باشد. براي دسترسي به سيگنال، تار مي بايستي بطور فيزيكي شكسته گردد. قطع تار و يا اتصال يك تار جديد به تار ارسال كننده، دسترسي به پرتو را ممكن مي سازد.

ايزوله الكتريكي. به علت عايق بودن، جريان الكتريكي در اثر سيگنال ارسالي و يا در اثر تشعشعات خارجي كه به تار برخورد مي كنند از آنها نمي گذرد، بنابراين در برابر پديده هايي مانند رعد و برق و جرقه كاملاً ايمن می باشد. همچنين مي توان آنها را به همراه خطوط قدرت بكار گرفت.

همچنين ارزان بودن سيستم فيبر نوري و قابليت اعتماد به علت سادگي سيستم، از ديگر مزاياي فيبر نوري مي باشد.

4-3- فيبر نوري

از اوايل قرن بيستم انتقال نور در موج هاي دي الكتريك مورد بررسي قرار گرفته می باشد. آغاز از ميله هاي شيشه‌اي با ضريب شكست 5/1 كه پوشش خاصي هم نداشتند بهره گیری مي گردید. اما تلفات ناشي از انتشار در هوا و غيره باعث مي گردید كه كاربرد اين موج برها حالت عملي به خود نگيرد. و لذا فيبرهاي با ساختار شكل (2-3) مورد بهره گیری قرار گيرد.

شكل

موج در اصل در لايه مياني كه ضريب شكستي برابر n1 دارد، حركت مي كند اين لايه آنقدر كوچك می باشد، كه به عنوان يك فيلم تلقي مي گردد اين فيلم توسط غلافي با ضريب شكست كوچكتر n2، پوشيده شده می باشد. اشعه نور توسط انعكاس كامل در مرزهاي بين فيلم و غلاف مقيد به انتشار درون فيلم مي باشد. انعكاس كامل هم با در نظر داشتن شرط n1>n2 رخ مي دهد. بنابراين براي تمام زواياي بزرگتر از زاويه بحراني و تا زاويه 90 درجه انعكاس كامل هست. زاويه بحراني در مرز هسته و غلاف از ارتباط زير بدست مي آيد كه نام دارد.

در موج بر آن دسته از پرتوها با بهره گیری از بازتابش كلي قابليت انتشار را مي يابند كه با زاويه اي كوچك به موج بر وارد شوند و در واقع با خطوط عمود بر سطح زاويه‌اي بزرگتر از زاويه بحراني بسازند.

این نوشته در برق ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

پاسخی بگذارید