ΠΑΡΑΔΟΣΕΙΣ  ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 34

ΠΑΡΑΔΟΣΕΙΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ «ΕΙΔΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ» ΚΕΦ. 4 PowerPoint PPT Presentation


  • 135 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

ΠΑΡΑΔΟΣΕΙΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ «ΕΙΔΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ» ΚΕΦ. 4. ΜΑΡΤΙΟΣ 2005. ΟΠΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ OPTICAL ή LIGHT SOURCES ( Light Emitting Diode – LED) (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – LASER). ΕΚΠΟΜΠΗ ΦΩΤΟΣ & ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΖΩΝΕΣ LED LASER.

Download Presentation

ΠΑΡΑΔΟΣΕΙΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ «ΕΙΔΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ» ΚΕΦ. 4

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


4

ΠΑΡΑΔΟΣΕΙΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ

«ΕΙΔΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ»

ΚΕΦ.4

ΜΑΡΤΙΟΣ 2005


4

ΟΠΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ

OPTICAL ή LIGHTSOURCES

(Light Emitting Diode – LED)

(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – LASER)


Led laser

ΕΚΠΟΜΠΗ ΦΩΤΟΣ & ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΖΩΝΕΣ

LED

LASER


Light emission quantum mechanics

ΕΚΠΟΜΠΗ ΦΩΤΟΣ

LIGHT EMISSION

ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ

(QUANTUM MECHANICS)


4

Τροχιές Ηλεκτρονίων  Ενεργειακές στάθμες των Ηλεκτρονιων

Απορρόφηση ενέργειας  αύξηση ενεργειακής στάθμης

Απόδοση ενέργειας  μείωση ενεργιεακής στάθμης

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΣΤΑΘΜΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ


4

Υψηλή Ενεργειακή στάθμη

Χαμηλή Ενεργειακή στάθμη

Απορρόφηση ενέργειας  Μετάβαση Ηλεκτρονίου

σε υψηλότερη ενεργειακή στάθμη

Μετάβαση Ηλεκτρονίου

Απο υψηλότερη ενεργειακή στάθμη σε χαμηλότερη 

Παραγωγή Ενέργειας 

Εκπομπή φωτός

ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑΙ ΑΠΟΔΟΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ


4

Ασταθής κατάσταση  Μετάβαση

Ε3

Ε2

«Εισαγωγή» ενέργειας

Ε1

h*ν = Ε3 – Ε2

ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ & ΕΚΠΟΜΠΗΣ

  • Το Ηλεκτρόνιο διεγείρεται και «ωθείται» σε υψηλοτερη στάθμη

  • Η στάθμη μετά την «ώθηση» είναι αρκετά υψηλή  ΑΣΤΑΘΗΣ

  • Το ηλεκτρόνιο μεταβαίνει σε χαμηλότερη στάθμη και η κατάστασή του γίνεται ποιό σταθερή

  • Η μετάβαση σε χαμηλότερη στάθμη παράγει ενέργεια  ΕΚΠΟΜΠΗ ΦΩΤΟΣ


Gaps eg

μονωτές

ημιαγωγοί

αγωγοί

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΖΩΝΕΣ ΚΑΙ «ΚΕΝΑ» (gaps  Eg)

  • Filled band  Ζώνη ηλεκτρονίων με χαμηλά ενεργειακά επίπεδα - κοντά στον πυρήνα (εσωτερικά) – σταθερά – δεν δημιουργού δεσμούς

  • Valence Band  Ζώνη ηλεκτρονίων σε υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα

  • Conduction Band  Ζώνη «ΕΛΕΥΘΕΡΩΝ» ηλεκτρονίων σε πολύ υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα με πολλούς βαθμούς ελευθερίας


4

p

n

(hole +)

(e-)

ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΕΠΑΦΗ “pn”

p  έλειψη ηλεκτρονίων (η προσθήκη – dopingτου Group III element προκαλεί έλειψη σε ηλεκτρόνια σε σύγκριση με το απλό πυρίτιο - Silicon

n  περίσσεια ηλεκτρονίων(η προσθήκη – doping του Group V element προσθέτει επιπλέον ηλεκτρόνια )


4

ΕΠΑΦΗ “pn”  ΟΠΕΣ / ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ & ΦΩΤΟΝΙΑ

Η «ΕΠΑΦΗ» των περιοχών p/n δημιουργεί την περιοχή αραίωσης (depletion region VD)

Η «ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΟΡΘΗΣ ΤΑΣΗΣ V >= VD» μειώνει το ενεργειακό χάσμα και προκαλεί ροή ηλεκτρονίων απο περιοχή “n  p”

Τότε τα ηλεκτρόνια «ΕΠΑΝΑΣΥΝΔΕΟΝΤΑΙ» με τις οπές

Αυτό το φαινόμενο δημιουργεί την εκπομπή φωτονίων

 ΜΙΑ ΕΠΑΝΑΣΥΝΔΕΣΗ = ΕΝΑ ΦΩΤΟΝΙΟ


4

ΕΠΑΦΗ “pn”  ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΣΤΗΝ ΕΚΠΟΜΠΗ ΦΩΤΟΣ

ΤΡΕΙΣ (3) ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ ΜΕΤΑΒΑΣΗΣ

  • Απορρόφηση (absorption)

  • Μη εκπέμπουσα μετάβαση (non – radiative)

  • Εκπέμπουσα μετάβαση (emission)


Light emitting diode led

Light Emitting Diode LED


4

Light Emitting Diode – LED

(ΕΚΠΟΜΠΗ ΦΩΤΟΣ ΑΠΟ ΕΠΑΦΗ pn ΤΥΠΟΥ LED)


4

LED: ΚΥΚΛΩΜΑ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ

If = I(forward) = Ρεύμα ορθής πόλωσηςσε mA

R = αντίσταση περιορισμού ρεύματος

Po = Light Output = εκπεμπόμενη οπτική ισχύς σε miliWatt (mW)

Οπτική ισχύς Po  ΕΥΘΕΩΣ ΑΝΑΛΟΓΗ  του ρεύματος If

(ΥΠΕΝΘΥΜΙΣΗ: Ηλεκτρική ισχύς  ανάλογη του Ι2 )


4

Παλμική λειτουργία LED

Συνεχής λειτουργία LED

LED: ΓΡΑΜΜΙΚΟΤΗΤΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗΣ

Εξάρτηση της γραμμικότητας της LED απο τον τρόπο λειτουργίας

Παλμική λειτουργία (ON – OFF, 1 / 0) «ξεκουράζει» & «ψύχει»  ΠΟΙΟ ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ

Συνεχής λειτουργία (Continuous) επιβαρύνει  ΛΙΓΟΤΕΡΟ ΓΡΑΜΜΙΚΗ


4

LED: ΟΠΤΙΚΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ «λ» &

ΑΠΌΣΤΑΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΖΩΝΩΝ (Eg)

Eg=hc/λ = 1240eV-nm/λ (c = λ ν)

h = Plank's Constant = 4.13 x 10-15 eV•sc = speed of light = 2.998 x 108 m/sλ = wavelength in nm


4

Material

Formula

Energy Gap (Eg)

Wavelength

(λ)

Gallium Phosphide

GaP

2.24 eV

550 nm

Aluminum Arsenide

AIAs

2.09 eV

590 nm

Gallium Arsenide

GaAs

1.42 eV

870 nm

Indium Phosphide

InP

1.33 eV

930 nm

Aluminum-Gallium Arsenide

AIGaAs

1.42-1.61 eV

770-870 nm

Indium-Gallium-Arsenide-Phosphide

InGaAsP

0.74-1.13 eV

1100-1670 nm

LED: ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΕΚΠΕΜΠΟΜΕΝΟ «λ»


4

Αναλυτικός τύπος

ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑ

(InternalQuantum Efficiency –nint)

  • Μη εκπέμπουσα (non – radiative)

  • Εκπέμπουσα (emission)

nint = Po / Pe

Po = Οπτική ισχύς

Pe = Ηλεκτρική Ισχύς

Po

Pe


4

n1

c

p

n

n2

substrate

ΕΞΩΤΕΡΙΚΗ ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑ

(ExternalQuantum Efficiency –next)

next= Αριθμός φωτονίων που εξέρχονται της LED

Μηχανισμοί απωλειών που επηρεάζουν το next:

(1) Απορρόφηση μέσα στην LED(2) Απώλειες Fresnel: part of the light gets reflected back, reflection coefficient: R={(n2-n1)/(n2+n1)}(3) Απώλειες Critical angle: all light gets reflected back if > C with C=sin-1(n1/n2) critical angle [e.g. C=17° for GaP/air interface with n2=3.45, n1=1]


4

ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΗ ΔΟΜΗ ΤΗΣ LED

HOMOJUNCTION – HOMOSTRUCTURE

“pn” τμήματα προερχόμενα απο

ιδιο Υλικό - Substrate(ίδιο Eg)

HETEROJUNCTION – HETEROSTRUCTURE

“pn” τμήματα προερχόμενα απο

διαφορετικά Υλικά - Substrate(διαφορετικό Eg)


4

ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΗ ΔΟΜΗ ΤΗΣ LED

HOMOJUNCTION – HOMOSTRUCTURE

“pn” τμήματα προερχόμενα απο ιδιο Υλικό - Substrate(ίδιο Eg)

SLED

ELED


4

ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΗ ΔΟΜΗ ΤΗΣ LED

HETEROJUNCTION – HETEROSTRUCTURE

“pn” τμήματα προερχόμενα απο διαφορετικά Υλικά Substrate(διαφορετικό Eg)

DOUBLE

HETEROSTRUCTURE

  • Κατευθυντικότητα

  • Μικρή επιφάνεια εκπομπής


4

ΤΥΠΟΙ LED ΜΕ ΒΑΣΗ

ΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ

SLED

ELED


4

ΓΩΝΙΑ ΚΑΙ ΛΟΒΟΣ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΤΗΣ LED

SLED

Πηγή εκπομπής

τύπου Lambertian

P = P0 cosθ

θ

ΗETEROSTRUCTURE

θ

HOMOSTRUCTURE

ELED


4

ΣΥΖΕΥΞΗ ΤΗΣ LED ΜΕ ΤΗΝ ΟΠΤΙΚΗ ΙΝΑ

Ταίριασμα του «θ» της LED με το «ΝΑ» της οπτικής ίνας

Burrus SLED (Bell Labs 1971)

Pin =P0 (NA) 2

για Step Index Οπτική Ινα και προσεγγιστικα

Για Graded Index Οπτική Ινα


4

ΣΥΖΕΥΞΗ ΤΗΣ LED ΜΕΣΩ ΦΑΚΩΝ ΕΣΤΙΑΣΗΣ

Ταίριασμα του «θ» της LED με το «ΝΑ» της οπτικής ίνας

Micro – Lens Σύζευξη

Macro – Lens Σύζευξη


4

ΣΥΖΕΥΞΗ ΤΗΣ LED ΜΕ ΕΠΕΜΒΑΣΗ

ΣΤΟ ΝΑ ΤΗΣ ΟΠΤΙΚΗΣ ΙΝΑΣ

Ταίριασμα του «θ» της LED με το «ΝΑ» της οπτικής ίνας


4

ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΟΔΗΓΗΣΗ ΤΗΣ LED

(ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ)

Απλό κύκλωμα

με τρανζίστορ

Γραμμικό κύκλωμα

χαμηλών συχνοτήτων

με OpAmp


4

ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΟΔΗΓΗΣΗ ΤΗΣ LED

(ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ)

Γραμμικό κύκλωμα

υψηλών συχνοτήτων

με OpAmp


4

ΨΗΦΙΑΚΗ ΟΔΗΓΗΣΗ ΤΗΣ LED

(ΨΗΦΙΑΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ)

Απλό κύκλωμα με τρανζίστορ (LED εν σειρά) για χαμηλά bit rates

Απλό κύκλωμα με τρανζίστορ (LED εν παραλλήλω) για υψηλότερα bit rates

Ειδικό κύκλωμα με τρανζίστορ και βελτιωμένους χρόνους (On – Off) για πολύ υψηλότερα bit rates


4

ΧΡΟΝΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΤΗΣ LED ΣΕ ΨΗΦΙΑΚΗ ΟΔΗΓΗΣΗ

If

Po

Ειδικό κύκλωμα με τρανζίστορ και βελτιωμένους χρόνους (On – Off) για πολύ υψηλότερα bit rates


4

ΧΡΟΝΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΤΗΣ LED ΣΕ ΨΗΦΙΑΚΗ ΟΔΗΓΗΣΗ

tr = 2.2 [ τ + (1.7 x 10–4 x T°K x C ) /Ip ]

BW = 0.35/tr


4

Active Material

Type

Radiating wavelength (nm)

Spectral width (nm)

Output power into fiber (µW)

Forward current (mA)

Rise/fall time (ns)

AIGaAs

SLED

660

20

190–1350

20(min)

13/10

ELED

850

35–65

10–80

60–100

2/2–6.5/6.5

GaAs

SLED

850

40

80–140

100

ELED

850

35

10–32

100

6.5/6.5

InGaAsP

SLED

1300

110

10–50

100

3/3

ELED

1300

25

10–150

30–100

1.5/2.5

ELED

1550

40–70

1000–7500

200–500

0.4/0.4–12/12

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ LED

ΓΙΑ ΜΙΑ LED TO ΓΙΝΟΜΕΝΟ “BW * PO” = ΣΤΑΘΕΡΟ


4

Comparison of LEDs and Lasers

Characteristics

LEDs

Lasers

Output Power

Linearly proportional to drive current

Proportional to current above the threshold

Current

Drive Current: 50 to 100 mA Peak

Threshold Current: 5 to 40 mA

Coupled Power

Moderate

High

Speed

Slower

Faster

Output Pattern

Higher

Lower

Bandwidth

Moderate

High

WavelengthsAvailable

0.66 to 1.65 µm

0.78 to 1.65 µm

Spectral Width

Wider (40-190 nm FWHM)

Narrower (0.00001 nm to 10 nm FWHM)

Fiber Type

Multimode Only

SM, MM

Ease of Use

Easier

Harder

Lifetime

Longer

Long

Cost

Low ($5-$300)

High ($100-$10,000)

ΣΥΓΚΡΙΣΗ LED ΜΕ LASER


  • Login