Главная Коллекция "Revolution" Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника Побудова волоконно-оптичної лінії передачі сигналу з використанням структурних елементів радіоелектронних апаратів

Побудова волоконно-оптичної лінії передачі сигналу з використанням структурних елементів радіоелектронних апаратів

Зовнішній квантовий вихід. Питоме затухання кварцового оптоволокна. Електрооптичний модулятор на базі комірки Поккельса. Концентрація генерованих світлом нерівноважних електронів і дірок в базі фотодіода. Розрахунок волоконно-оптичної лінії зв’язку.

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид курсовая работа
Язык украинский
Дата добавления 22.04.2015
Размер файла 1,5 M
рефераты на заказ со скидкой

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

Вступ

1. Теоретичні відомості

1.1 Світловипромінюючі діоди (СВД)

1.2 Модулятори

1.3 Світловоди

1.4 Фотодіод

2. Розрахунок волоконно-оптичної лінії зв'язку

2.1 Розрахунок світловипромінюючого діода (СВД)

2.2 Розрахунок модулятора

2.3 Розрахунок світловоду

Висновки

Використані джерела

електрооптичний модулятор фотодіод

Вступ

Результатом виконання курсової роботи є побудова волоконно-оптичної лінії передачі сигналу з використанням структурних елементів радіоелектронних апаратів, параметри яких розраховуються на основі дослідження фізико-хімічних властивостей: світловипромінюючого діода (СВД), модулятора, оптичного волокна та фотодетектора. Параметри кожного зі структурних елементів повинні задовольняти умовам:

- необхідно, щоб довжина хвилі випромінювання СВД відповідала вікну прозорості оптоволокна, а фотодетектор ефективно поглинав таке випромінювання. За довжиною хвилі підбирається робоча напруга модулятора;

- електричний струм, який живить СВД, повинен забезпечити генерування випромінювання такої інтенсивності, якої з урахуванням втрат у модуляторі і оптоволоконні вистачило б для створення фотоструму фотодетектора заданої величини;

- частота модулюючого сигналу не повинна перевищувати граничну частоту роботи кожного з чотирьох структурних елементів волоконно-оптичної лінії передачі сигналу, визначальних елементів волоконно-оптичних ліній передачі сигналу.

1. Теоретичні відомості

1.1 Світловипромінюючі діоди (СВД)

При вивченні оптичних властивостей напівпровідникових приладів найбільш вдалою формою представлення випромінювального р-n переходу є його зонна діаграма, яка показана на рисунку 1.1. Позначення енергетичних рівнів:

- Ес - дно зони провідності;

- Еv - потолок валентної зони;

- різниця енергій Ес-Еv є шириною забороненої зони Еg;

- пn - концентрація електронів в n-області;

- рр - концентрація дірок в р-області;

- U - величина прямої напруги;

- І - сила струму через СВД;

- ФИ - кількість випромінених СВД фотонів;

- Np та Nn - кількість дірок і електронів, інжектованих через р-n- перехід.

Рисунок 1.1 - Зонна діаграма світлодіода

Основною фізичної величиною, що характеризує якість СВД, є зовнішній квантовий вихід зв - відношення кількості випромінених СВД фотонів ФИ, до повної кількості дірок і електронів, що протікають через р-n перехід Nр+Nn:

Якщо прийняти, що величини ФИ та Nр+Nn вимірюються за одиницю часу, то сила струму через СВД дорівнює:

Тоді потужність випромінюваного ним світла визначається як:

Максимальна гранична частота роботи світлодіода (частота модулюючого сигналу при внутрішньому способі модуляції випромінювання) визначається часом життя інжектованих в р-базу електронів фn:

забороненої зони Еg залежить від параметрів складу:

Eg(еВ)=(0,36+0,97y).(1.5)

Параметр складу у підбирається з умови того, що довжина хвилі випромінювання:

повинна збігатися з довжиною хвилі одного з вікон прозорості кварцового оптоволокна (Рисунок 1.2), номер якого задається.

Рисунок 1.2 - Питоме затухання кварцового оптоволокна

Цій довжині хвилі повинен відповідати максимум потужності випромінювання. Довжина хвилі пов'язана з енергією фотона hv виразом:

Смуга випромінювання в енергетичних одиницях визначає інтервал енергій випромінюваних фотонів, квантова інтенсивність яких більша половини максимальної квантової інтенсивності;

?hv -напівширина смуги випромінювання в енергетичних одиницях.

Враховуючи, що енергія випромінюваних фотонів набагато більша різниці енергій у смузі випромінювання, можна продиферинціювати формулу (1.7):

Звідки, замінивши знак диференціала d на знак приросту Д, вираз для смуги випромінювання в одиницях довжини хвилі (напівширини спектру):

Тоді смуга випромінювання в одиницях довжини хвилі визначається як інтервал .

Смугу випромінювання в одиницях частоти можна отримати, розрахувавши частоту випромінювання з виразу (1.7), а напівширину спектру в одиницях частоти з (1.9):

1.2 Модулятори

Будова електрооптичного модулятора подана на рисунку 1.3. Практичне використання електрооптичного ефекту засноване на тому, що показник заломлення різний для світла, поляризованого перпендикулярно і паралельно прикладеному зовнішньому електричному полю, і ця різниця залежить від величини поля.

Рисунок 1.3 - Електрооптичний модулятор на базі комірки Поккельса

(а) вхідний потік випромінювання; б) зовнішнє електричне поле; в) вихідний потік випромінювання)

На рисунку 1.3 вхідне світло, що поширюється вздовж осі z, поляризоване під кутом 45? по відношенню до зовнішнього електричного поля E0x. За наявності зовнішнього поля виникає різниця показників заломлення для поздовжнього до зовнішнього електричного поля Ex(щ) і поперечної Ey(щ) компонент електромагнітного поля світлового випромінювання.

деn - показник заломлення за відсутності зовнішнього поля;

r - електрооптичний коефіцієнт Поккельса;

- напруженість зовнішнього електричного поля, спрямованого вздовж 0x. В результаті при виході світлової електромагнітної хвилі з кристала довжиною l компоненти Ех(щ) та Еу(щ) набувають оптичну різницю ходу:

Відповідна різниця фаз між компонентами Ех(щ) і Еу(щ) буде:

Якщо Допт=л/2, то площина поляризації вихідного світла буде повернута на 90° по відношенню до площини поляризації вихідного пучка. Таким чином, якщо кристал з поперечними розмірами aЧb поміщений між схрещеними поляризаторами, то вихідний сигнал відсутній при відсутності напруги і досягає максимуму, коли прикладена зовнішня напівхвильова напруга»:

Величина n3r являє собою фактор якості електрооптичного матеріалу.

Для рівності тривалості світлового імпульсу і імпульсу керуючої напруги необхідно, щоб час проходження світлової хвилі по кристалу був набагато меншим тривалості імпульсу керуючої напруги. Якщо тривалість імпульсів невелика, можна обмежитись умовою, коли час проходження світлової хвилі через модулятор в 20 разів менше періоду проходження керуючих імпульсів:

Тоді максимально можлива частота модулюючого сигналу обмежена довжиною комірки відповідно до співвідношення:

скільки для роботи комірок Поккельса потрібне поляризоване світло, то при їх використанні в оптичних лініях зв'язку спільно з джерелами некогерентного випромінювання, якими є СВД, при поляризації на вхідному поляризаторі втрачається дпол=0,5 потужності випромінювання. Таким чином, ККД комірки Поккельса визначається добутком:

де дматер - коефіцієнт пропускання матеріалу комірки.

1.3 Світловоди

Дуже короткий світловий імпульс деякої спектральної ширини Дл=л2-л1, введений в світловод в одномодовому режимі, коли фронт хвилі перпендикулярний осі світловода, виходить з нього дещо розмитим в часі. Це відбувається в результаті оптичної дисперсії, коли світлові хвилі з різною довжиною хвилі поширюються з різною швидкістю: більша довжина - більша швидкість. Такий ефект накладає фундаментальне обмеження на верхню межу частоти проходження імпульсів.

Частота проходження імпульсів не може бути більше граничної частоти fmax, при якій в процесі поширення імпульсів по світловоду довгохвильовий край л2 одного імпульсу наздожене короткохвильовий край л1 попереднього імпульсу, найменший період проходження імпульсів Ттіп має дорівнювати різниці інтервалів поширення короткохвильового t1 і довгохвильового t2 імпульсів:

деn(л1) і п(л2) - показники заломлення для короткохвильового і довгохвильового країв спектрального діапазону імпульсу;

L - довжина світловода;

с - швидкість світла у вакуумі.

Враховано, що знаючи величину дисперсії dn/dл для заданого діапазону довжин хвиль і спектральну напівширину імпульсу Дл, можна знайти різницю показників заломлення для короткохвильового і довгохвильового країв спектрального діапазону імпульсу:

Поширення світлового сигналу по світловоду супроводжується втратами, що характеризуються питомим коефіцієнтом втрат

де - потужність на вході світловоду;

- потужність на виході світловоду.

Тоді повне загасання після проходження світловоду довільної довжини L:

1.4 Фотодіод

Фотоактивним для даного напівпровідника є світло, енергія фотонів якого більша або дорівнює ширині забороненої зони. Однак, енергія фотонів світла, що поглинається, не може більш ніж удвічі перевищувати ширину забороненої зони, оскільки при цьому світло поглинається поблизу поверхні, де генеровані носії відразу рекомбінують через поверхневі стани. Тому напівпровідник з шириною забороненої зони Eg буде поглинати світло з енергією максимуму випромінювання hv з нерівності:

Ед ? hv ? 2Ед.(1.22)

Світло з енергією максимуму випромінювання hv поглинається напівпровідниками з шириною забороненої зони Eg з нерівності

Поглинуте випромінювання зручно характеризувати квантовою інтенсивністю фо - кількістю фотонів, що припадають на 1 м2 поверхні напівпровідника за 1 с. Тоді потужність падаючого на поверхню напівпровідника площею S випромінювання:

Коли поверхня напівпровідника освітлюється фотоактивним світлом з квантовою інтенсивністю ф0 (Рисунок 1.4), то вміру проникнення світла вглибину напівпровідника квантова інтенсивність світла змінюється за законом Бугера:

деR - коефіцієнт відбивання світла;

а - коефіцієнт поглинання світла;

х - відстань від поверхні.

Швидкість оптичної генерації носіїв у тонкому шарі пропорційна швидкості зменшення інтенсивності світла:

Рисунок 1.4 - Внутрішній фотоефект

Фотодіод з р-n переходом, у якого тонка p-область товщиною d (база) і площею S освітлюється світлом квантовою інтенсивністю ф0. Для фотодіода характерно, що світло повністю поглинається в приповерхневому шарі, тобто ефективна довжина оптичного поглинання Lonm<<d та швидкість оптичної генерації в р-області:

Концентрація генерованих світлом нерівноважних електронів і дірок в базі фотодіода:

де - час життя електронів і дірок відповідно.

Так як товщина області поглинання світла d стає набагато меншою дифузійних довжин носіїв, то генеровані світлом електрони практично миттєво і без втрат досягають р-n переходу і йдуть в n-область. Дірки, досягаючи р-n переходу, не можуть подолати потенційний бар'єр і залишаються в р-області. Тоді густина електронного фотоструму через р-n перехід площею S за відсутності помітних втрат на рекомбінацію фотоносіїв до їх поділу р-n переходом, можна визначити як:

У результаті цього n-область заряджається негативно, а р-область - позитивно. Виникає фото ЕРС Uф, прикладена в пропускному напрямі, висота потенційного бар'єру зменшується, і в пропускному напрямі починає протікати прямий струм, створюваний потоком електронів з n-області і дірок з р-область:

де - густина струму насичення.

Тому повний потік електронів з р-області зменшується, а дірок - збільшується. Якщо фотоелемент розімкнений, то зміна потоків електронів і дірок продовжується до тих пір, поки обидва потоки не зрівняються, тобто поки повний струм через р-n перехід не стане рівним нулю:

Створена при цьому різниця потенціалів називається напругою холостого ходу. Підставивши (1.30) та (1.31) в (1.32), отримується співвідношення, що встановлює зв'язок між падаючою на фотоелемент густиною потоку фотонів ф0 і напругою холостого ходу Uxx:

У фотодіодному режимі на р-n перехід подається зворотне зміщення, і струм через нього являє собою суму зворотного струму, що визначається по (1.31) з від'ємним значенням Uф і фотоструму (1.30):

У фотодіодному режимі темновий струм (за відсутності освітлення) повинен бути якомога меншим, тому на p-n перехід подається таке зворотне зміщення, при якому темновий струм практично дорівнює струму насичення, тоді:

У представленій на рисунку 1.4 можливій конструкції фотодіода сила струму через діод дорівнює:

де S збігається з площею освітлюваної поверхні.

Максимальна гранична частота роботи фотодіода частота модулюючого сигналу, при якій фотострум ще встигає спадати від свого максимального значення до нуля) визначається часом виходу носіїв заряду з бази:

час виходу носіїв з бази тим менший, чим менша товщина бази d:

2. Розрахунок волоконно-оптичної лінії зв'язку

2.1 Розрахунок світловипромінюючого діода (СВД)

СВД виготовлено з потрійної сполуки складу: InPyAs1-y, ширина забороненої зони якої визначається атомною часткою фосфору y згідно співвідношенню Eg=(0,36+0,97y). СВД використовується для роботи у волоконно-оптичних лініях з кварцовим оптоволокном у вікні прозорості №2. Зовнішня квантова ефективність СВД дорівнює 0,87. Час життя електронів матеріалу світлодіода дорівнює 1,26•10-9 с.

Визначити невідому атомну частку елемента в потрійній сполуці і записати його формулу. Визначити півширину спектра випромінювання в одиницях частоти, якщо півширину смуги випромінювання в енергетичних одиницях прийняти kT. Визначити максимальну граничну частоту роботи світлодіода при внутрішньому способі модуляції випромінювання.

Дано:

Склад: InPyAs1-y;

Вікно прозорості №2;

зВ=0,87;

фn=1,26•10-9 с;

Дhv=kT;

T=300 °К.

у, формула - ?

Дл - ?

fmax - ?

Розрахунки:

Довжина хвилі, що відповідає поглиненню світла у вікні прозорості №2, визначається за графіком питомого затухання кварцового оптоволокна (Рис. 1.2):

л=1,15 мкм=1,15•10-6 м.

На цій довжині хвилі інтенсивність випромінювання СВД повинна бути максимальною. Енергія максимуму випромінювання СВД визначається за формулою:

Енергія максимуму випромінювання СВД дорівнює ширині забороненої зони Eg напівпровідника, з якого він виготовлений:

За умовою, для виготовлення СВД використовується потрійний напівпровідник складу: InPyAs1-y. Атомна частка у фосфору визначається із співвідношення, характерного для складу 2:

Eg(еВ)=(0,36+0,97y).

Враховуючи, що:

отримується:

Півширина смуги випромінювання СВД визначається за формулою:

Максимальна гранична частота модулюючого сигналу при внутрішньому способі модуляції випромінення визначається за формулою:

перевірка одиниць вимірювання величин:

Проведення розрахунків:

Результати: л=1,15 мкм; у=0,743; InP0,743As0,257; Дл=3,89•10-8 м; fmax=126,31 МГц.

2.2 Розрахунок модулятора

Світло, що випромінюється розрахованим на етапі 1 СВД, модулюється подачею напівхвильової напруги на комірку Поккельса, фактор якості якої дорівнює м/В. Коефіцієнт пропускання матеріалу комірки дорівнює 0,85.

Розрахувати поперечні розміри комірки Поккельса при довжині 15 мм, щоб напівхвильова напруга дорівнювала В.

Визначити максимальну довжину комірки при максимально можливій частоті модулюючого сигналу 0,5 ГГц, якщо електрооптичний коефіцієнт Поккельса матеріалу комірки прийняти рівним м/В. Якщо максимальна довжина комірки виявиться менше 15 мм, тоді необхідно визначити максимально можливу частоту модулюючого сигналу при заданій довжині 15 мм.

Розрахувати різницю фаз двох складових прохідного світла: поляризованого вздовж зовнішнього електричного поля і впоперек нього.

Розрахувати ККД комірки.

Дано:

n3r=793,7•10-12 м/В

l=15•10-3м

r= м/В

дматер=0,85

Uл/2= В

fmax=0,5•109 Гц

b - ?

lmax - ?

Дц - ?

дмод - ?

Розрахунки:

Поперечні розміри комірки Поккельса:

де n3r - фактор якості;

l - довжина комірки;

л - довжина світлової хвилі модулюючого випромінення, що дорівнює довжині хвилі максимуму випромінення СВД, яка отримана у першому етапі:

У формулу максимальної частоти модулюючого сигналу fmax, що обмежена довжиною комірки:

підставляється показник заломлення n, який визначається за фактором якості матеріалу комірки:

де r - електрооптичний коефіцієнт Поккельса.

Тоді, з утвореного виразу:

можна отримати:

ККД комірки показує, яка частка вхідного випромінення виходить з неї, та визначається виразом:

дедвт=0,5 - втрати при поляризації;

дматер - коефіцієнт пропускання матеріалу комірки.

Різниця фаз двох складових прохідного світла визначається формулою:

де Eox - енергія зовнішнього електричного поля, що дорівнює:

Тоді:

Проведення розрахунків:

римане значення не задовольняє умові lmax>15 мм, тому з (2.10):

Результати: b=; fmax=; Дц=р; дмод=0,425.

2.3 Розрахунок світловоду

Світло, що випромінюється розрахованим на етапі 1 СВД, після модуляції корисним сигналом з параметрами, знайденими на етапі 2, поширюється по кварцовому одномодовому світловоду. Номер вікна прозорості 2. Дисперсія в оптоволокні залежить від довжини хвилі л світла у відповідності з співвідношенням . Довжина оптоволокна 3,24 км.

Визначити граничну найбільшу частоту проходження імпульсів у оптоволокні.

Розрахувати загасання в оптоволокні отриманої довжини, а також у скільки разів зменшиться потужність світлового випромінювання в результаті втрат в ньому.

Технологічними втратами можна знехтувати.

Дано:

Вікно прозорості №2;

;

L=3,24•103 м.

fmax - ?;

в - ?;

- ?.

Розрахунки:

Гранична найбільшу частота проходження імпульсів у оптоволокні визначається формулою:

Загасання в оптоволокні визначаються як:

де в0 - значення питомого загасання, для другого вікна прозорості

в0=0,8•10-3 дБ/м.

Зменшення оптичної потужності у світловоді:

Отже з (2.16-2.18) можна отримати числові значення:

Результати:

Розрахунок фотодіоду

Світло, що випромінюється розрахованим на етапі 1 СВД, після модуляції корисним сигналом з параметрами, знайденими на етапі 2, проходить кварцовий світловод відповідно до етапу 3, а потім освітлює тонку р-область фотодіода площею та товщиною Густина струму насичення р-n переходу при рухливості носіїв заряду в ньому 14,142•10-3 . Коефіцієнт відбивання світла від поверхні бази - 0,12. Квантовий вихід внутрішнього фотоефекту - 0,874.

Обчислити мінімальну ширину забороненої зони напівпровідника, придатного для виготовлення фотодіодів для прийому даного випромінювання.

Визначити силу струму, що повинен протікати по СВД, щоб генерувати випромінювання такої інтенсивності, якої з урахуванням втрат у модуляторі та оптоволокні вистачило б для створення фотоструму в 200 разів більшого темнового струму. Визначити максимальну граничну частоту роботи фотодіода. Технологічними втратами знехтувати.

Дано:

S=

d=

мn=14,142•10-3

R=0,12;

з=0,874;

- ?;

IСВД - ?;

fmax - ?.

Розрахунки:

Мінімальна ширина забороненої зони напівпровідника, придатного для виготовлення фотодіодів визначається як:

Для визначення сили струму через СВД необхідно:

- отримати значення потужності випромінювання, що підводиться з оптоволокна до фотодіоду; з формули:

знаючи, що

можна отримати:

- по загасанню в світловоді з етапу 3 обчислюється відповідна потужність випромінювання на вході оптоволокна:

- за ККД комірки Поккельса з етапу 2 розраховується потужність випромінювання на вході комірки:

знаючи, що:

можна розрахувати необхідну силу струму СВД:

Відповідно до співвідношень:

підставляючи один до одного вирази (2.20-2.25), шляхом математичних перетворювань можна отримати:

Максимальна гранична частота роботи фотодіода:

Вихідні дані для проведення розрахунків отримуються з етапів 1-4:

Результати:

Узгодження елементів ВОЛП сигналу

Накреслити структурну схему волоконно-оптичної лінії передачі сигналу. Перевірити відповідність довжини хвилі випромінювання світлодіода напівхвильовій напрузі модулятора, вікну прозорості оптоволокна і ширині забороненої зони фото детектора.

Перевірити, чи достатньо сили струму, що протікає по СВД, щоб генерувати випромінювання такої інтенсивності, якої з урахуванням втрат у модуляторі та оптоволокні вистачило б для створення фотоструму зазначеної в завданні до етапу 4 величини. Для цього необхідно перевірити розрахунки потужності випромінювання на всіх етапах проходження сигналу без урахування технологічних втрат.

Вказати максимальну частоту модулюючого сигналу, яка не повинна бути більше граничної частоти роботи кожного з чотирьох визначальних елементів волоконно-оптичної лінії передачі сигналу.

Заповнити зведену таблицю результатів із зазначенням значень параметрів визначальних елементів волоконно-оптичної лінії передачі сигналу.

З формули 2.20:

З урахуванням втрат у модуляторі та оптоволокні:

СВД

Модулятор

Оптоволокно

Фотодіод

Напівпровідник InP0,743As0,257

Розміри aЧbЧl =0,205Ч0,205Ч15 мм

Довжина L=3,24 км

Товщина d=

Довжина хвилі л=1,15 мкм

Напівхвильова напруга Uл/2=19,8 В

Вікно прозорості №2

Ширина забороненої зони

Полоса випромінення Дл=38,9 нм

х

х

Коефіцієнт відбивання R=0,12

Зовнішня квантова ефективність зВ=0,87

ККД дмод=0,425

Загасання в=5,592 дБ

Квантовий вихід фотоефекту з=0,874

Сила струму IСВД=2,026 мА

х

х

х

Вихідна потужність Pвип=1,9 мВт

Вхідна потужність

х

х

х

Вихідна потужність

Вхідна потужність

х

х

х

Вихідна потужність

Вхідна потужність

х

х

х

Фотострум

Гранична частота модулюючого сигналу fmax=126,31 МГц

Гранична частота роботи fmax=261,0 МГц

Гранична частота роботи fmax=361,77 МГц

Гранична частота роботи fmax=73,31 МГц

Гранична частота модулюючого сигналу лінії fmax=73,31 МГц

Висновки

У ході виконання курсової роботи було побудовано волоконно-оптичну лінію передачі сигналу, у якій використовуються структурні елементи радіоелектронних апаратів. Зокрема були проведені розрахунки таких складових частин ВОЛП сигналу:

- світловипромінюючого діода;

- модулятора;

- оптичного волокна;

- фотодетектора.

В ході проведення вищенаведених розрахунків були досліджені фізико-хімічні властивості складових частин ВОЛП.

Усі складові частини ВОЛП були узгоджені між собою.

Використані джерела

1) Бэйли Девид, «Волоконная оптика. Теория и практика» - Кудиц-образ, Москва,2006, 320с.;

2) Иванов А.Б. «Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения» - М.: Компания Сайрус системс, 1999, 664с.;

3) Шарварко В.Г. Волоконно-оптические линии связи. Учебное пособие (2006)

4) Корнейчук В.И. Макаров Т.В. Панфилов И.П. Проживальский О.П. Проектирование волоконно-оптических систем передачи (1999)

5) Крухмалев В.В., Гордиенко В.Н., Моченов А.Д., Иванов В.И., Бурдин В.А., Крыжановский А.В., Марыкова Л.А. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей (2004)

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены