1 / 34

ΠΑΡΑΔΟΣΕΙΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ «ΕΙΔΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ» ΚΕΦ. 4

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.

anka
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. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. ΠΑΡΑΔΟΣΕΙΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ «ΕΙΔΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ» ΚΕΦ.4 ΜΑΡΤΙΟΣ 2005

  2. ΟΠΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ OPTICAL ή LIGHTSOURCES (Light Emitting Diode – LED) (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – LASER)

  3. ΕΚΠΟΜΠΗ ΦΩΤΟΣ & ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΖΩΝΕΣ LED LASER

  4. ΕΚΠΟΜΠΗ ΦΩΤΟΣ LIGHT EMISSION ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ (QUANTUM MECHANICS)

  5. Τροχιές Ηλεκτρονίων  Ενεργειακές στάθμες των Ηλεκτρονιων Απορρόφηση ενέργειας  αύξηση ενεργειακής στάθμης Απόδοση ενέργειας  μείωση ενεργιεακής στάθμης ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΣΤΑΘΜΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ

  6. 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

  7. 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

  8. 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

  9. 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 )

  10. 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

  11. ΕΠΑΦΗ “pn”  ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΣΤΗΝ ΕΚΠΟΜΠΗ ΦΩΤΟΣ ΤΡΕΙΣ (3) ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ ΜΕΤΑΒΑΣΗΣ • Απορρόφηση (absorption) • Μη εκπέμπουσα μετάβαση (non – radiative) • Εκπέμπουσα μετάβαση (emission)

  12. Light Emitting Diode LED

  13. Light Emitting Diode – LED (ΕΚΠΟΜΠΗ ΦΩΤΟΣ ΑΠΟ ΕΠΑΦΗ pn ΤΥΠΟΥ LED)

  14. 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 )

  15. 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

  16. 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

  17. 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»

  18. Αναλυτικός τύπος ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑ (InternalQuantum Efficiency –nint) • Μη εκπέμπουσα (non – radiative) • Εκπέμπουσα (emission) nint = Po / Pe Po = Οπτική ισχύς Pe = Ηλεκτρική Ισχύς Po Pe

  19. 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]

  20. 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)

  21. ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΗ ΔΟΜΗ ΤΗΣ LED HOMOJUNCTION – HOMOSTRUCTURE “pn” τμήματα προερχόμενα απο ιδιο Υλικό - Substrate(ίδιο Eg) SLED ELED

  22. ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΗ ΔΟΜΗ ΤΗΣ LED HETEROJUNCTION – HETEROSTRUCTURE “pn” τμήματα προερχόμενα απο διαφορετικά Υλικά Substrate(διαφορετικό Eg) DOUBLE HETEROSTRUCTURE • Κατευθυντικότητα • Μικρή επιφάνεια εκπομπής

  23. ΤΥΠΟΙ LED ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ SLED ELED

  24. ΓΩΝΙΑ ΚΑΙ ΛΟΒΟΣ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΤΗΣ LED SLED Πηγή εκπομπής τύπου Lambertian P = P0 cosθ θ ΗETEROSTRUCTURE θ HOMOSTRUCTURE ELED

  25. 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

  26. ΣΥΖΕΥΞΗ ΤΗΣ LED ΜΕΣΩ ΦΑΚΩΝ ΕΣΤΙΑΣΗΣ Ταίριασμα του «θ» της LED με το «ΝΑ» της οπτικής ίνας Micro – Lens Σύζευξη Macro – Lens Σύζευξη

  27. ΣΥΖΕΥΞΗ ΤΗΣ LED ΜΕ ΕΠΕΜΒΑΣΗ ΣΤΟ ΝΑ ΤΗΣ ΟΠΤΙΚΗΣ ΙΝΑΣ Ταίριασμα του «θ» της LED με το «ΝΑ» της οπτικής ίνας

  28. ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΟΔΗΓΗΣΗ ΤΗΣ LED (ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ) Απλό κύκλωμα με τρανζίστορ Γραμμικό κύκλωμα χαμηλών συχνοτήτων με OpAmp

  29. ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΟΔΗΓΗΣΗ ΤΗΣ LED (ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ) Γραμμικό κύκλωμα υψηλών συχνοτήτων με OpAmp

  30. 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

  31. ΧΡΟΝΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΤΗΣ LED ΣΕ ΨΗΦΙΑΚΗ ΟΔΗΓΗΣΗ If Po Ειδικό κύκλωμα με τρανζίστορ και βελτιωμένους χρόνους (On – Off) για πολύ υψηλότερα bit rates

  32. 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

  33. 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

  34. 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

More Related