logo

logo

الهندسة الالكترونية | الإلكترونيات البصرية

الكترونيات بصريه

Optoelectronics - Optoélectronique

 الإلكترونيات البصرية

الإلكترونيات البصرية

 فيزيا الإلكترونيات البصرية

تطبيقات الإلكترونيات البصرية

 

الإلكترونيات البصرية optoelectronics هي فرع علمي وتقاني يبحث عموماً في مكوّنات إلكترونية أو بصرية يتفاعل فيها الضو مع المادة للقيام بوظائف مختلفة، مثل: إصدار الإشارات الضوئية أو كشفها أو تضخيمها amplification أو نقلها. ومن أهم تطبيقاته: منظومات الاتصالات البصرية optical communication systems، ومنظومات تخزين المعلومات، ومنظومات القياسات الفيزيائية. أصبح هذا المجال فرعاً من علم الفوتونيات photonics الذي يشمل مكوّنات وتطبيقات أخرى.

فيزيا الإلكترونيات البصرية

تتضمن فيزيا أنصاف النواقل وخواصها البصرية وتفاعل الضو مع المادة والليزر والبصريات اللاخطية nonlinear optics وانتشار الأمواج الكهرطيسية في المواد وفي دليل الموجة guide wave.

المكوّنات الإلكترونية البصرية الرئيسية

1 - الثنائيات (الديودات) المُصدرة للضو (LED) light emitting diode  

هي أكثر المكوّنات الإلكترونية البصرية استخداماً في شاشات الإظهار والتلفاز والمُرسِلات المستخدمة في منظومات الاتصالات والتحكم ومصابيح الإنارة، إضافة إلى استخدامها مؤشراتٍ ضوئيةً. صُنعت هذه الثنائيات بدايةً من البلّورة النصف الناقلة غاليوم-زرنيخ GaAs المُصدرة في المجال تحت الأحمر من الطيف الكهرطيسي. تُستخدم حديثاً موادُّ مركّبةٌ من عدة أنصاف نواقل (مثل InGaAsP، AllnGaP، AllnGaN) لتغطية مجالٍ واسعٍ من الطيفِ يمتدُّ من مجال الأشعة فوق البنفسجية إلى تحت الحمرا مروراً بالمجال المرئيّ بألوانه كافة حتى الضو الأبيض (الشكل 1).

الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\799\15-1.jpg

الشكل (1) الطيف الكهرطيسي للثنائيات المصدرة للضو LED

تتكوّن الثنائيات من وصلة ثنائية نصف ناقلة من النوع p-n، كما هو موضّح في الشكل (2). يُغذّى الثنائي المصدِر للضو بالاتجاه المباشر. تنتقل إلكترونات التيار في منطقة الوصلة من قطاع الناقلية إلى قطاع التكافؤ مصدرةً فوتونات بطاقةٍ تساوي طاقة القطاع المحظور Eg للمادة النصف الناقلة.

الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\799\15-2.jpg

الشكل (2) مبدأ عمل الثنائي المصدر للضو LED وبنيته

يبيّن الشكل (3) بعض النماذج التجارية للثنائيات المصدِرة للضو LED.

الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\799\15-3.jpg

الشكل (3) ثنائيات مصدرة للضو LED تجارية

2 - الثنائيات (الديودات) الليزرية LD

اقتضى تطوير الثنائيات الليزرية تعديلَ بنية الـثنائيات المصدِرة للضو LED لتصبح مناسبةً لإصدار ضو ٍ ليزريٍّ، وأُضيفت إلى البنية السابقة طبقة ثالثة نصف ناقلة تتوسط الطبقتين n و p لتكوِّن الوسط الفعَّال للمرسل الليزري (وسط التضخيم amplification medium). وجُعلت قرينة انكسار refractive index الوسط الفعال  n2 أكبر من قرينة انكسار الطبقتين المجاورتين n1 وn3 لحصر الأشعة الليزرية في الوسط الفعّال (الشكل 4). ونظراً لارتفاع قيمة قرينة انكسار مادة الوسط الفعّال، يُشكّل السطحان الجانبيان مرآتي حجرة رنين الليزر resonance cavity.

الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\799\15-4.jpg

الشكل (4) البنية الأساسية لثنائي ليزري نصف ناقل

تسمى هذه البنية أيضاً ثنائية الوصلة المتغايرة.double-heterojunction

مبدأ العمل: يبدأ الوسط الفعَّال بإصدار الضو تلقائياً عند مرور التيار الكهربائي. تزداد كثافة الإلكترونات في قطاع التكافؤ مع زيادة شدة التيار، وهذا ما يزيد احتمال الإصدار المحثوث للإشعاع. يبدأ الثنائي الليزري الإصدار المحثوث للضو عند وصول شدة التيار إلى عتبة محددة  Ith. يبيّن الشكل (5) الرسم البياني لمعادلة الاستطاعة الضوئية الصادرة بدلالة التيار الكهربائي.

الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\799\15-5.jpg

الشكل (5) استطاعة خرج الليزر بدلالة التيار الكهربائي

طُوّرت أنواعٌ من الثنائيات الليزرية لسدّ حاجات التطبيقات المختلفة، وطُوّرت أنواعٌ خاصة تتميز بالنقا الطيفي وبإمكان التوليف tuning الضرورية لمنظومات الاتصالات الأرضية والفضائية ذات تقانة التضميم بتقسيم الطول الموجي Wavelength Division Multiplexing (WDM) والمستخدمة في الاتصالات الحديثة. وفي التطبيقات الصناعية تُستخدم ليزرات عالية الاستطاعة. واستُخدمت لتصنيع الثنائيات الليزريّة بلّورات نصف ناقلة عديدة لتغطية مجالٍ عريضٍ من الطيف الضوئي. فعلى سبيل المثال: تُستخدم المادة الوصف: الوصف: D:\المجلد 3 تقانة 1\799\Image221866.jpgحيث x نسبة ذرات Al إلى ذرات Ga التي تتحكم في الطول الموجي للثنائي الليزري.

يبيّن الشكل (6) المجال الطيفي للثنائيات الليزرية AlxGa1-XAs (الخط الأزرق) عند تغيّر النسبة x من 0 إلى 1 (الخط الأحمر).

الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\799\15-6.jpg

الشكل (6) طيف (LD(AlxGa1-xAs بدلالة النسبة x لذرة Al

3 - المضخّمات البصرية نصف الناقلة (SOA)   Semiconductor Optical Amplifier :

هي ليزر نصف ناقل من دون حجرة رنين. يُغطى سطحاه الجانبيان بأغشية بصرية مضادة للانعكاس antireflection coating كما في الشكل (7). تُستخدم هذه المضخّمات في منظومات الاتصالات البصرية لإمكان التكبير المباشر لإشارات الاتصال الضوئية من دون الحاجة إلى تحويلها إلى إشارة إلكترونية قبل تضخيمها إلكترونياً. ومن أهم مميزات المضخّماتSOA الحجم الصغير والتشغيل باستخدام التيار الكهربائي فقط.

الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\799\15-7.jpg

الشكل (7) مضخّم بصري نصف ناقل

4 - الثنائيات الضوئية photodiodes

هي ثنائيات p-n، وظيفتها تحويل الاستطاعة الضوئية إلى تيار كهربائي. عندما تمتص الثنائيات الضوئية فوتوناً بطاقة أكبر من طاقة النطاق المحظور الوصف: الوصف: D:\المجلد 3 تقانة 1\799\Image336.jpgband gap للنصف الناقل المستخدم يتولد إلكترونٌ في قطاع الناقلية الوصف: الوصف: D:\المجلد 3 تقانة 1\799\Image230437.jpgوثقبٌ في نطاق التكافؤ الوصف: الوصف: D:\المجلد 3 تقانة 1\799\Image234202.jpg، يرتبط مصير هذا الزوج من الشحنات بمكان تولّده. تُميّز في الثنائي الضوئي ثلاث مناطق، كما هو مبيّن في الشكل (8).

الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\799\15-8.jpg

الشكل (8) مبدأ عمل الثنائي الضوئي وبنيته

- المنطقة 1: هي منطقة النضوب depletion region حيث يسود حقلٌ كهربائيٌّ ناجم عن تولّد شحنات موجبة وسالبة بفعل انتثار diffusion الإلكترونات من المنطقة n مخلّفة إيونات موجبة، وانتثار الثقوب من المنطقة p مخلّفة إيونات سالبة. في هذه المنطقة ينجرف الإلكترون والثقب باتجاهين متعارضين، وهذا ما يُولّد تياراً كهربائياً ( يسمى أيضاً تياراً ضوئياً photocurrent ) في أي دارة متصلة بالثنائي.

- المنطقة 2: منطقة مجاورة لمنطقة النضوب حيث يُحتمل للإلكترون المتولّد في الجهة p أن يصل بفعل الانتثار العشوائي إلى منطقة النضوب والانجراف إلى الجهة n للإسهام في التيار الضوئي. يحدث الأمر ذاته للثقب المتولّد في الجهة n الذي ينجرف في النهاية إلى الجهة p.

- المنطقة 3: تعود الشحنات المتولّدة في هذه المنطقة البعيدة نسبياً عن منطقة النضوب للتوحد ثانيةً.

يُطلق اسم المردود الكموميquantum efficiency على نسبة عدد الإلكترونات المشاركة في التيار الضوئي إلى عدد الفوتونات المُستقبَلة، ويُرمز له بـ الوصف: الوصف: D:\المجلد 3 تقانة 1\799\Image595004.jpg. يوضّح الشكل (9) المردود الكمومي بدلالة الطول الموجي لبعض الثنائيات الضوئية، ويظهر في الشكل أيضاً الطول الموجي لبعض المرسلات الليزرية.

الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\799\15-9.jpg

الشكل (9) المردود الكمومي لبعض الثنائيات الضوئية

طُوّرت ثنائيات ضوئية ذات استجابة زمنية سريعة لسدّ حاجات منظومات الاتصالات البصرية. أُضيفت إلى هذا النوع بين الطرفين p-n طبقة نصف ناقلة أصيلة intrinsic لتصبح منطقة النضوب، ويُرمز لها بـ p-i-n. ونظراً لارتفاع مقاومة المادة الأصيلة مقارنةً بمقاومة المادة المشوبة فإن معظم الجهد الإلكتروني يسقط عليها. ومن ثمّ يسود فيها حقل جارف كبير يؤدي إلى جرف حوامل الشحنة الحرة بسرعة كبيرة، وهذا ما يزيد سرعة استجابة الكاشف الضوئي، ومثال ذلك: يبلغ زمن استجابة كاشف p-n من الطراز S1226-18BQ القيمة 150 ns، ويصبح الزمن مساوياً 0.7 ns في حالة كاشف p-i-n من الطراز S5972.

5 - مُعدِّلات إلكتروبصرية electro-optic modulators:

المُعدِّل الإلكتروبصري هو جهاز للتحكم في طور الأشعة الليزرية أو استطاعتها أو استقطابها باستخدام إشارة تحكم كهربائية. المكوّن الرئيس لهذا المُعدِّل هو خلية بوكلس Pockels cell. تتكوّن هذه الخلية من بلّورة متباينة المناحي anisotropic، تتغير قرينة انكسارها خطياً بتأثير حقل كهربائي مُطبَّق عليها وفق المعادلة (1):

الوصف: الوصف: D:\المجلد 3 تقانة 1\799\Image360.jpg

حيث E طويلة الحقل الكهربائي المُطبَّق، و(0)n  قرينة انكسار البلّورة في حال E=0، و r ثابتة بوكلس. تسمى هذه الظاهرة أثر effect بوكلس (أو المفعول الإلكتروبصري الخطي). وتعمل خلية بوكلس بتمرير موجة كهرطيسية من الشكل:

 الوصف: الوصف: D:\المجلد 3 تقانة 1\799\Image192077.jpg

بطول موجي الوصف: الوصف: D:\المجلد 3 تقانة 1\799\Image251423.jpgعبر بلّورة طولها L وعرضها d، كما هو مبيّن في الشكل (10).

الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\799\15-10.jpg

الشكل (10) مفعول/خلية بوكلس

يُطبّق على البلّورة فرق كمون V يُولِّد داخل البلّورة حقلاً كهربائياً مساوياً لـ الوصف: الوصف: D:\المجلد 3 تقانة 1\799\Image254251.jpg. بعد اجتياز الموجة طول البلّورة تصبح صيغتها:

 الوصف: الوصف: D:\المجلد 3 تقانة 1\799\Image184154.jpg

حيث فرق الطور الوصف: الوصف: D:\المجلد 3 تقانة 1\799\Image151636.jpgيساوي لـ الوصف: الوصف: D:\المجلد 3 تقانة 1\799\Image148610.jpg.

باستبدال n في المعادلة (1) تصبح العلاقة (4) كما يلي:

 الوصف: الوصف: D:\المجلد 3 تقانة 1\799\Image260735.jpg

إذن يمكن تعديل طور الأمواج الكهرطيسية(PM)  Phase Modulation  بتطبيق إشارة التعديل المطلوبة على مأخذ كمون خلية بوكلس، كما هو موضّح في الشكل (11).

الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\799\15-11.jpg

الشكل (11) تعديل الطور باستخدام خلية بوكلس

تُستخدم مُعدِّلات ماك- زيندر Mach-Zehnder الإلكتروبصرية لتعديل الشدة الضوئية للأمواج. تتكون هذه المُعدِّلات من مُعدِّل الطور (خلية بوكلس)، وجهاز تداخل ماك – زيندر interferometer، كما هو مبيّن في الشكل (12). تُصاغ قيمة الشدة الضوئية عند مخرج المُعدِّل بالمعادلة (5):

الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\799\15-12.jpg

الشكل (12) مُعدِّل ماك- زيندر الإلكتروبصري

 

 الوصف: الوصف: D:\المجلد 3 تقانة 1\799\Image197759.jpg

حيث الوصف: الوصف: D:\المجلد 3 تقانة 1\799\Image1516361.jpgفرق الطور الناتج من فرق المسير البصري بين فرعي الجهاز، ويساوي فرق الطور الناتج من خلية بوكلس المُعطى في المعادلة (1).

تطبيقات الإلكترونيات البصرية:

يبيّن الجدول (1) أهم تطبيقات الإلكترونيات البصرية. تُصنّف منظومات الاتصالات بالألياف البصرية إلى عدة أجيال، ازداد خلالها معدّل البِت من جيل إلى آخر باستخدام مكوّنات إلكتروبصرية أفضل أدا ً.

الجدول (١) أهم تطبيقات الإلكترونيات البصرية

مجال التطبيق

التطبيق

اتصالات الألياف البصرية

مسافات بعيدة

كبال تحت البحار

شبكات اتصال أرضية

مسافات متوسطة وصغيرة

شبكات LAN

شبكات حواسيب

اتصالات فضائية

اتصالات بين الأقمار الصنعية (السواتل)

 

 

تجهيزات حاسوبية

طابعات ليزرية

أقراص ليزرية

قارئ أقراص ليزري

 

 

 

 

تجهيزات قياس

مقياس تداخلي

مطياف spectrometer

قائس مسافات

مقياس سرعة

قياس ملوثات الغلاف الجوي

مقياس درجة حرارة

 

استَخدم الجيلُ الأول لهذه المنظومات منابعَ ضوئية من النوع LEDs، تعمل في مجالٍ طيفيٍّ مجاور للطول الموجي850 nm، يوافق هذا المجال الطيفي نافذة التمرير الأولى في الألياف المُصنَّعة من مادة السيلكا. أما ما يتعلق بالكواشف الضوئية فاستُخدمت كواشف ضوئية مُصنَّعة من مادة Si التي تعمل أيضاً في المجال850 nm . حقّقت هذه المنظومات مُعدَّل نقل للبِت مقداره 45 ميغا بت/ثانية بمسافة10 km بين المكرّرات الإلكترونية (الشكل 13).

الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\799\15-13.jpg

الشكل (13): أجيال منظومات اتصالات الألياف البصرية (الضوئية)

استُخدمت في الجيل الثاني الثنائيات الليزرية التي تعمل في جوار الطول الموجي 1.3 mµ، حيث الفقد loss ضمن الليف البصري أقل من قيمته في مجال عمل الجيل الأول. استَخدمت هذه المنظومات مكوّنات مرسلة ومستقبلة مصنّعة من نصف الناقل InGaAsP. بلغ معدّل البِت فيها قرابة 1.7 Gbps وبمسافة 50 km بين المكرّرات. تمّ تطوير مرسلات ليزرية تعمل في المجال الطيفي المجاور للطول الموجي 1.55 µm بهدف استخدام الألياف البصرية في المجال الطيفي حيث قيمة الفقد أدنى ما يمكن. سُميت المنظومات التي تعمل في هذا المجال بمنظومات الجيل الثالث. في العام 1990م توفرت تجارياً منظومات تعمل بمعدل2.5 Gbps بمسافة 70 km بين المكرّرات. وبدأ الجيل الرابع نتيجة تطوير المضخمات البصرية والمعدِّلات الإلكتروبصرية. وأدى استخدام هذه المضخّمات إلى الاستغنا عن المكرّرات الإلكترونية، وإلى زيادة معدل تدفق المعلومات باستخدام التضميم بتقسيم الطول الموجي WDM، أما استخدام المعدِّلات الإلكتروبصرية فأدى إلى زيادة تردد التعديل إلى أكثر من 40 Gbps.

فواز موصللي

مراجع للاستزادة:

-M. A. Parker, Physics of Optoelectronics, CRC Press Taylor & Francis Group, USA, 2005.

- B. Saleh, M. C. Teich, Fundamentals of Photonics, Wiley Inter-science, 2007.

- N. Xi, Nano Optoelectronic Sensors and Devices, William Andrew Publisher, 2011.

- A. Yariv, P. Yeh, Photonics: Optical Electronics in Modern Communications, Oxford University Press, Oxford, UK, 2007.

 

 




التصنيف : الهندسة الالكترونية
النوع : الهندسة الالكترونية
المجلد: المجلد الثالث
رقم الصفحة ضمن المجلد : 72
مستقل

البحوث الأكثر قراءة

للحصول على اخبار الموسوعة

عدد الزوار حاليا : 11
الكل :
اليوم :

الاحتكاك (علم-)

 الاحتكاك (علم -) الاحتكاك التزليق التأكل علم الاحتكاك Tribology هو علم وتقانة يختصان بما يحدث في الحركة النسبية للسطوح المتلامسة فيما بينها. يبحث علم الاحتكاك في مختلف المبادئ العلمية والتقانية التي تختص بالحركة، ومنها كيمياء السطوح، وميكانيك الموائع، وعلم المواد، والمزلقات، وميكانيك التماس، والمدارج bearings، ومنظومات التزليق وتصميمها. ويقسم تقليدياً إلى ثلاثة فروع هي: الاحتكاك friction، والتزليق lubrication، والتأكل wear. الاحتكاك: تصادَف ظاهرة الاحتكاك حيثما توجد حركة نسبية بين السطوح المتماسَّة المتحركة، وهو يقاوم الحركة دائماً. ولما كان من غير الممكن ميكانيكياً...

المزيد »

المجلدات الصادرة عن موسوعة التقانة :