منابع نور در سیستمهای مخابرات نوری قسمت اول

توسط سعید خزایی -
58 0
منابع نور در سیستمهای مخابرات نوری قسمت اول

چکیده
فرستنده های نوری از جمله بخشهای اساسی در یک لینک نوری هستند . بازدهی خوب یک
فرستنده امکان انت قال اطلاعات را در مسیرهای طولانی فراهم می کند . دیودهای نور گسیل و
لیزرهای نیمه هادی از منابع اصلی نور در سیستمهای مخابراتی بوده که لیزرهای مخابراتی در
تکنولوژیهای اخیر جایگاه ویژه ای دارند . لیزرهای نیمه هادی در کلی ترین حالت به دو دسته
لیزرهای با طول موج ث ابت و لیزرهای با طول موج تنظیم پذیر تقسیم می شوند . در این گزارش
ابتدا مشخصات اصلی دیودهای نورگسیل و لیزرهای نیمه هادی بیان شده و در ادامه انواع لیزرها
شامل لیزرهای فابری پرو ، لیزرهای با فیدبک توزیعی ، لیزرهای با منعکس کننده براگ توزیعی،
لیزرهای گسیل از سطح با کاواک عمودی ، لیزرهای تنظیم پذیر با تنظیم پیوسته، ناپیوسته و شبه
پیوسته ، لیزرهای تنظیم پذیر با کاواک خارجی ، لیزرهای تنظیم پذیر مجتمع یکپارچه ، آرایه های
دیود لیزر ، منابع سوییچ شده و در نهایت تکنولوژی ساخت و بازار فروش منابع نوری مورد بررسی
قرار می گیرد

 

مقدمه

منابع نور در سیستمهای مخابرات نور ی در ابتدای یک لینک برای تولید نورکه قابلیتهایی نظیر
مدوله شدن و ... را دارد مورد استفاده قرار می گیرند . در سیستم مخابراتی ، منابع نوری مختلفی با
که درگذشته بیشتر مورد (LED) توجه به نوع نیاز ، مورد استفاده می گیرند . دیودهای نور گسیل
استفاده قرارمی گرفت ، جهت استفاده در فواصل کوتاه و سیستمهای تک طول موجی تقریبا مناسب
و WDM بودند. با گذشت زمان و استفاده از سیستمهای چند طول موجی نظیر سیستمهای
سیستمهایی برای مسافتهای طولانی ، مباحث و نیازها برای منابع نوری ، پیچیده تر و بیشتر شد . در
سیستمهای جدید به علت بالا رفتن نر خ انتقال اطلاعات نیاز به استفاده از منبعی با پهنای خط
ها با پهنای باند نسبتا بزرگتر ، LED کوچکتر مورد نیاز بود که لیزرهای نیمه هادی در مقایسه با
پاسخگوی این نیاز بودند . در ادامه پیشرفتها در سیستمهای مخابراتی نیاز به لیزرهایی وجود داشت
که بتوان از آنها در طو ل موجهای مختلف استفاده نمود . بنابراین لیزرهای با تنظیم طول موج مطرح
است. این لیزرها قادرند با توجه به WDM شدند که استفاده اصلی آنها در سیستمهای
استانداردهای موجود بر روی طول موج خاصی تنظیم شده و به عنوان یک فرستنده از دهها
فرستنده موجود در سیستمهای چن د طول موجی مورد استفاده قرارگیرند .در حال حاضر لیزرهایی با
طول موج قابل تنظیم به علت نیاز در سیستمهای جدید روند رو به رشد بیشتری دارند و طبق پیش
بینی های انجام شده تا سال 2005 بیشتر از 25 % از کل بازار لیزرها را به خود اختصاص خواهند
ها و لیزرها ، انواع لیزرها و همچنین بازار فروش، LED داد.این گزارش مروری بر م شخصات
تکنولوژی ساخت وتجهیزات تست و اندازه گیری منابع نوری خواهد داشت.
از ناظر محترم پروژه آقای دکتر محمد کاظم مروج فرشی عضو هیات علمی و استاد دانشگاه
تربیت مدرس و همکارانشان که با ارائه نظرات اصلاحی خود ما را در رفع نواقص و ارائه هرچه
بهتر این گزارش یاری فرموده اند قدردانی می شود.

 

 

در بخش ابتدایی یک لینک مخابرات نوری باید سیگنال الکتری کی به سیگنال نوری تبدیل شود تا
امکان انتقال آن از طریق فیبر فراهم شود . این وظیفه توسط منابع نوری به انجام می رسد . کارایی
لینک به مقدار توان نوری (نور) تزویج شده از منبع نوری به فیبر و نیز کیفیت نور تولید شده توسط
منبع وابسته است.
منابع نوری نیمه هادی ویژگی هایی دارند که آنها را برای استفاده در لینکهای مخابرات نوری مناسب
ساخته است. این ویژگیها عبارتند از:
- ابعاد فیزیکی مناسب به طوری که سطح گسیل نور از آنها با سطح مقطع هسته فیبر قابل
مقایسه است و لذا تزویج نور آنها به فیبر به خوبی انجام می پذیرد.
- امکان تولید نور در طول موجهایی که فیبر دارای کمترین تلفات و پاشندگی است.
- امکان تولید نور با پهنای طیفی باریک که پاشندگی را به حداقل می رساند.
- امکان مدولاسیون مستقیم سیگنال نوری.
- عملکرد پایدار در هنگام تغییر شرایط محیطی نظیر دما.
- قیمت مناسب.
منابع نوری نیمه هادی که در سی ستمهای مخابرات نوری به کار می روند به دو دسته اصلی دیودهای
نورگسیل و لیزرها تقسیم می شوند . لیزرها نیز در یک تقسیم بندی کلی به دو گروه لیزرهای با
طول موج ثابت و لیزرهای با چندین طول موج طبقه بندی می شوند.
در این گزارش ضمن تشریح سازوکار فیزیکی تولید نور در د یود نورگسیل و لیزر و بیان تمایزهای
این دو، به ارائه انواع مختلف این قطعات و توضیح عملکرد هر یک می پردازیم.
[1] 2. دیودهای نورگسیل ١
LED 1,2 . اصول عملکرد
بایاس مستقیم است . وقتی الکترونهای pn دیودِ نورگسیل، در ساده ترین شکل خود، یک پیوند
آزادِ باند هدایت با حفره ها ت رکیب می شوند، به باند ظرفیت که انرژی کمتری دارد منتقل می شوند
1 Light Emitting Diode: LED
EL 81SSOCD TRP201 منابع نوردر سیستمهای مخابرات نوری 3
2
با گاف انرژی ماده به کار LED و طی این فرایند، نور گسیل می شود . طول موج نور گسیل شده از
رفته در ساختار آن نسبت معکوس دارد یعنی هرچه گاف انرژی، بزرگتر باشد، طول موج نور
تولید شده کوتاهتر است. این رابطه به صورت زیر بیان می شود:

گاف انرژی Eg سرعت نور و c ، ثابت پلانک h ، طول موج برحسب میکرومتر λ که در آن
از آن ساخته می شود تعیین LED برحسب الکترون ولت است . این بدان معناست ک ه ماده ای که
کنندۀ طول موج نور گسیلی است . جدول ( 1) مقادیر گاف انرژی و طول موج را برای موادی که
ها و لیزرهای نیمه هادی استفاده می شوند نشان می دهد. LED به طور معمول در ساخت
هر زمان که الکترونی با حفره ترکیب می شود یک فوتون تولید می شود. بنابراین، مقدار انرژی
نورانی برابر با حاصلضرب تعداد الکترونهای ترکیب شده و مقدار گاف انرژی است . به بیان دیگر
توان خروجی، با جریان اِعمالی نسبت مستقیم دارد . مطابق شکل ( 1)، به دلیل نواری بودن باندهای
هدایت و ظرفیت، انتقال از هر تراز انرژی در باند هد ایت به هر تراز انرژی در باند ظرفیت، ممکن
خواهد بود . البته انتقالِ غالب، از لبه باند هدایت به لبۀ باند ظرفیت صورت می گیرد . همین مسأله،
LED دلیل وجود محدوده ای از طول موجهای مختلف در گسیل خود به خودیِ تولید شده به وسیلۀ
است.

که بتواند نوری با طول موج مشخص را تولید کند کار ساده ای است pn اگرچه ساخت یک پیوند
اما خارج ساختن نور از پیون د و وارد ساختن آن به فیبر، چندان آسان نیست . نوری که به طور
تولید می شود در تمام جهات گسیل می شود و با توجه به شفاف LED خود به خودی در داخل
بودن مادۀ نیمه هادی نسبت به محدودۀ طول موجهای تولید شده، در همه سو پراکنده می شود .
معمولی به فیبر کار مشکلی است. لذا باید به دنبال راهی بود pn بنابراین وارد ساختن نورِ یک پیوند
که نور در ناحیه ای متمرکز تولید شده و به نحو مناسبی محدود شود . ساختار ناهمجنس، راه حلی
برای این مشکل است . پیوند ناهمجنس، اتصال دو نیمه هادی مختلف با گافهای انرژیِ متفاوت
معمولی نیست، با این تفاوت که اختلاف گاف انرژی pn است . این ساختار، بی شباهت به پیوند
دو ماده، نوعی سد را در محل پیوند ایجاد می کند . وقتی ماده ای با یک گاف انرژی مشخص، بین
لایه هایی از ماده ای با گاف انرژی بزرگتر قرار می گیرد، یک ساختار ناهمجنس دوگانه به وجود
می آید . در چنین ساختاری سدی ایجاد می شود که ناحیۀ ترکیب الکترونها و حفره ها را به مادۀ با
گاف کوچکتر محدود می کند. این ناحیه، ناحیۀ فعال نامیده می شود.
نمودار انرژی ساختار دوگانۀ ناهمجنس در شکل ( 2) نشان داده شده است. الکترونها از ناحیۀ
می ریزند. ترکیب الکترونها و حفره ها و n-InGaAsP به لایۀ p-InP و حفره ها از ناحیۀ n-InP
روی می دهد . از آنجا که مادۀ ناحیۀ فعال، ضریب n-InGaAsP گسیل خود به خودی در ناحیۀ
شکست بزرگتری نسبت به نواحی احاطه کنندۀ آن دارد، محدودیت نور نیز در داخل این ناحیه
تحقق می پذیرد.


.[ گسیل از سطح [ 1 LED شکل 3: ساختار یک
1 Surface-Emitting LED: SLED
2 Edge-Emitting LED: ELED
EL 81SSOCD TRP201 منابع نوردر سیستمهای مخابرات نوری 3
5
.[ گسیل از کنار [ 1 LED شکل 4: ساختار یک
ها LED 3,2 . ویژگیهای
ها ویژگیهای ذیل حائز اهمیت اند: LED در کاربردهای مخابراتیِ
1,3,2 . هزینه اندک
ها در سیستمهای مخابراتی در مقایسه با لیزرهای مخابراتی هزینه به مراتب LED به کار گیری
ها و لیزرهای مخابراتی LED کمتری دارد . در توضیح این نکته باید گفت که اگرچه ساختار
خیلی با هم متفاوت نیست و هزینه های تولید این دو نیز به هم نزدیک است، اما اختلاف هزینه از
ها با فیبر چند مُد کار می کنند LED آنجا ناشی می شود که به طور معمول، لیزرها با فیبر تک مُد و
LED و اتصال به فیبر تک مُد به مراتب پرهزینه تر از اتصال به فیبر چند مُد است . در حالیک ه اغلبِ
ها را نمی توان همراه با فیبر تک مُد استفاده کرد، لیزرها به خوبی با فیبرهای تک مُد کار می کنند.

 


توان کم


بمراتب کمتر از لیزر است (حدود 100 میکرو وات). البته در LED بیشترین توان خروجیِ یک
ها با توان خروجی تا 75 میلی وات ساخته شده اند. LED سالهای اخیر نوع جدیدی از
3,3,2 . پهنای طیفی نسبتاً عریض
ها نور تک طول موج تولید نمی کنند و نور خروجی آنها محدوده ای از طول موجها را شامل LED
0/ می شود . این محدوده که تحت عنوان ” پهنای طیفی “شناخته می شود 
طول موج ( 50 تا 100 نانومتر ) است. پهنای طیفی ر ا می توان با استفاده از فیلترها کاهش داد اما این
کار توان سیگنال را نیز کاهش می دهد.

 

 

نور ناهمدوس


ها جهتدار و همدوس نیست . این بدان معناست که برای متمرکز LED نور تولید شده به وسیلۀ
ها برای کار کردن با فیبرهای LED کردن نور در فیبر، به عدسی نیاز است . به همین دلیل است که
تک مُد مناسب نیستند.
5,3,2 . سرعت مدولاسیون
ها نمی توانند پالسهای با عرض کم را که برای سرعتهای در محدودۀ گیگابیت لازم است LED
استفاده می کنند تا سرعتهای 300 مگابیت بر ثانیه به خوبی LED تولید کنند . اما سیستمهایی که از
عمل می کنند.

 


لیزرها


لیزرها بهترین منبع نور برای مخابرات نوری اند . نور لیزر در شرایط ایده آل فقط یک طول موج را
شامل است . این مسأله به ویژگیهای مولکولیِ ماده ای که در ساخت لیزر استفاده شده مرتبط است .
نور لیزر به صورت پرتوهای موازی و تک فاز یا به عبارت دیگر همدوس است . لیزرها را با
سرعت زیاد می توان مدوله کرد . لیزرها قادر به تولید توان خروجی نسبتاً زیاد هستند . برخی از انواع
لیزرها می توانند توانی در حدود چند کیلووات را تولید کنند . در کاربردهای مخابراتی لیزرهای
نیمه هادی با توان تا حدود 20 میلی وات موجودند . این مقدار چندین مرتبه بزرگتر از توانی است
ها قادر به تولید آن هستند .لیزرهای نیمه هادی که برای پمپ تقویت کننده های نوری LED که
استفاده می شوند توانی در حدود 250 میلی وات دارند . چون نور خروجی لیزر به صورت پرتوهای
موازی است، درصد زیادی از آن ( 50 تا 80 %)قابل انتقال به فیبر است.
ها بسیار گران هستند (البته پیشرفت تکنولوژی، LED لیزرها معایبی نیز دارند. لیزرها در مقایسه با
این مشکل را تا حدی کاهش داده است ). یکی از عواملی که باعث هزینه بر بودن استفاده از لیزرها
در کاربردهای دوربُرد می شود، لزوم کنترل دما و توان خروجی است . 

 



منابع نوردر سیستمهای مخابرات نوری 

پاید ار نگه می دارد و کنترل توان، تضمین کنندۀ آن است که آشکارساز بتواند سیگنالی پایدار را
ببیند . این موارد، مستلزم صرف هزینه های اضافی اند . معمولاً از خنک کننده /گرم کنندۀ مبتنی بر ”
اثرپلتییِر 1“ برای حفظ پایداری دمایی استفاده می شود . بدین منظور به یک ترمیستور بر ای
همراه با pn اندازه گیریِ دمای قطعه نیاز است . برای کنترل توان نیز معمولاً یک آشکارساز دیودیِ
لیزر، بسته بندی می شود . این آشکارساز، توان تولید شده به وسیلۀ لیزر را اندازه گرفته و از طریق
یک حلقۀ فیدبک، جریان بایاس لیزر را کنترل می کند . چون توان سیگنال خروجیِ لیزر با توان
سیگنال ورودیِ آن رابطۀ غیرخطی دارد انجام مدولاسیون آنالوگ به وسیلۀ لیزر، مشکل است . به
عبارت دیگر، تغییرات نور تولید شده، با تغییرات دامنۀ سیگنال تطابق ندارد . شایان ذکر است که
ها به دلیل رابطۀ خطیِ پاسخ با جریان اِعمالی، مدولاسیون آن الوگ را می توان به سادگی LED در
انجام داد .توسعه های صورت گرفته در طراحی لیزرها در سالهای اخیر، مدولاسیون آنالوگ را
برای بعضی لیزرهای خاص محقق ساخته است . البته به وسیلۀ مدولاتورهای نوری می توان سیگنال
نوری را پس از خروج از لیزر مدوله کرد . با استفاده از برخی انواع مدولاتورهای نوریِ خارجی،
مدولاسیون خطی امکان پذیر می شود.

 

 

ادامه دارد 

 


به این مطلب امتیاز دهید 1 رای



    نظرات کاربران

    نظر خود را برای ما ارسال کنید .

    جست جو

    دسته بندی مطالب

    پربازدیدترین ها

    مودم فیبر نوری

    انواع مودم های فیبر نوری قیمت مودم فیبرنوری خرید مودم فیبر نوری سایت فیبران فعال در فروش مودم فیبر نوری با مودم فیبر نوری مخابرات بیشتر آشنا شوید.