Optik tizimli aloqa (optoelektronika)ning elektron komponentalari

Optik tizimli aloqa (optoelektronika)ning elektron komponentalari. Optik aloqa tizimlari uzatuvchi (UOM) va qabul qiluvchi (QQOM) optik modullarga ega. UOM elektr signallarni optik signallarga o’zgartirish uchun xizmat qiladi. UOMning bosh elementi nurlanuvchi manba – nulanuvchi diod (ND) yoki yarimo’tkazgich lazerdan iborat. ND va lazerning bir – biridan nurlanish spektri kengligi bilan farqlanadi. NDlarda Δλ = 30÷50 nm ni, bir modali lazerlarda esa Δλ = 0,1÷0,4 nm ni tashkil etadi. QQOM optik toladan olingan optik signalni elektr signalga aylantirish uchun xizmat qiladi. QQOM ning bosh elementi fotoqabulqilgich – fotodioddan (FD) iborat. FDlarning bir qancha turlari mavjud. Ko’chkili FDlarda zaryad tashuvchilarning ko’chkisimon ko’payishi amalga oshadi va shu hisobiga sezgirligi yuzlarcha – minglarcha marta oshadi. Shottki to’siqli FDlar tezkorligi yuqori bo’ladi. Geteroo’tishga ega ko’chkili FDlar boshqa turdagi FDlarga nisbatan yaxshiroq xususiyatlarga ega. Turli materiallardan tayyorlangan FDlar ishchi to’lqin uzunligi turli qiymatlarga ega bo’ladi. Bu to’lqinlarda ular samaradorligining maksimal qiymatiga erishiladi.
Optik aloqa tizimining tok uzatish koeffisiyenti KI muhim parametrlardan hisoblanadi. U nurlatgich, fotoqabulqilgich va optik muhitning spektral muvofiqlashtirilgani, optik muhitning (optik tolaning) shaffofligi, kvant chiqishi va fotoqabulqilgichning ichki kuchaytirish koeffisiyenti bilan aniqlanadi. Bitta nurlanish kvanti ta’sirida hosil bo’ladigan elektron – kovak juftliklar soni kvant chiqishni belgilaydi. Ananaviy optik tolalarda uchta shaffoflik sohasi mavjud. Bu shaffoflik sohalarida tarqalayotgan nur yutilishi kam bo’ladi. Ularga 850, 1300, 1550 nm to’lqin uzunlikdagi sohalar kiradi.
Ko’chkili fotodiodlar (KFD) optik tolali aloqa liniyalarida (OTAL) keng qo’llaniladi va ichki kuchaytirishga ega fotoqabulqilgichdan iborat, shuning uchun yuqori serzilikka ega bo’ladi.
Qabul qilinadigan nur to’lqin uzunligi kremniyli FDlar uchun λ = 0,4÷1,0 mkm, AIIIBV birikmalar asosidagi fotoqabulqilgichlar uchun λ = 1,0÷1,7 mkm ni tashkil etadi. Shuning uchun λ = 0,8÷0,9 mkm to’lqin uzunligida ishlovchi OTALda kremniyli KFDlar, λ = 1,3÷1,6 mkm li larda esa АIIIВV yarimo’tkazgich birikmalar asosidagi KFDlar ishlatiladi.
Kremniyli KFD tuzilishi, ulanishi va unda potensial taqsimlanishi 1.28 – rasmda ko’rsatilgan.
1.28 – rasm. Kremniyli KFD tuzilishi, ulanishi va
unda potensialning taqsimlanishi
KFD ko’chki hosil qiluvchi katta teskari kuchlanishlarda ishlaydi. FDga tushayotgan fotonlar uning legirlanmagan, amalda erkin zaryad tashuvchilarga ega bo’lmagan i – sohasida yutiladi. p+ – qatlam qalinligi iloji boricha yupqa bo’lishi kerak. p+ – soha taqiqlangan zonasi kengligidan katta energiyaga ega bo’lgan F fotonlar oqimi bilan yoritilsin. Bunda fotonlar yarimo’tkazgich i – qatlamda yutilgani hisobiga elektron – kovak juftliklar hosil bo’ladi. Elektr maydon ta’sirida ular ajratiladi va o’z elektrodlari tomon harakatlanib fototok hosil qiladi. Yarimo’tkazgich i – qatlam qalinligi yetarli katta bo’lganda tushayotgan nur to’liq yutiladi, bu esa o’z navbatida kvant chiqishini oshiradi.
To’qnashib ionlashtirishni hosil qilish uchun i – qatlam orqasida elektr maydon kuchlanganligi yuqori (E>105 V/sm) p – qatlam hosil qilinadi. Bu qatlamda zaryad tashuvchilarning ko’chkili ko’payishi sodir bo’ladi. FD tezkorligi taxminan 0,3 ns bo’lganda ko’paytirish koeffisiyenti M 1000ni tashkil etish mumkin. Shuning uchun QQOM ko’chkili ko’payish shovqinlaridek sust optik signallarni aniqlash uchun qo’llaniladi. Shovqin ko’chkisimon ko’payish tasodifiy jarayonligi sababli hosil bo’ladi. Bu o’ziga xos ortiqcha shovqin qiymati ionlashtirish koeffisiyentlarining nisbatiga bog’liq bo’ladi. Ushbu koeffisiyentlar birlik yo’lda zaryad tashuvchilar yordamida hosil qilinadigan elektron – kovak juftliklarning o’rtacha soni sifatida aniqlanadilar. Agar bo’lsa, tushayotgan nurlanish hisobiga hosil qilinayotgan har bir fotozaryad tashuvchiga ko’paytirish sohasida uchta zaryad tashuvchi (birlamchi zaryad tashuvchi va ikkilamchi elektron va kovak) to’g’ri keladi. Agar zarbdan ionlashtirish koeffisiyentlarining biri kechib yuborsa bo’ladigan darajada kichik (masalan ) bo’lsa, ko’chki shovqini sezilarli kichik bo’ladi. Demak, KFD qo’llansa bo’ladigan darajadagi ko’chkili shovqin hosil bo’lishi uchun, elektron va kovaklarning zarbdan ionlashtirish koeffisiyentlari bir – biridan katta farq qilishi kerak.
To’lqin uzunligining λ = 0,8÷0,9 mkm oralig’ida ishlovchi KFDlarda ni tashkil etadi. Magistral OTALlarda 1,3 va 1, 55 mkmli optik “oyna”lardan foydalaniladi. Optik toladagi yo’qotishlar λ =1,3 mkm da taxminan uch marta, λ =1,55 mkm da esa – 8÷10 marta kamayadi. Shuning uchun rentranslyasiyasiz o’ta uzoq uchastkalarda to’lqin uzunligi λ =1,55 mkm li nurlardan foydalaniladi.
To’lqin uzunligi kattaroq sohaga o’tish uchun taqiqlangan zonasi kremniyga nisbatan kattaroq materiallardan foydalaniladi. Bunday material bo’lib AIIIBV yarimo’tkazgich birikmalar va ular asosidagi qattiq eritmalar xizmat qiladi. Bu yarimo’tkazgichlarning ko’plari uchun , shuning uchun ularni shovqin jihatdan qo’llab bo’lmaydi. i – sohasi o’ta panjara tuzilishiga ega geteroo’tishli KFDlarda i – soha kuchli elektr maydon ta’sirida bo’lganda nisbatni zarur qiymatlargacha ko’tarish imkoni tug’iladi. 1.14 – rasmda o’ta panjarali KFD zonalar energetik diagrammasi va tuzilishi keltirilgan. Geteroo’tishli KFDda kvant chiqishi p+ – soha qalinligiga juda ham kritik bog’liq emas, chunki katta taqiqlangan zonaga ega bo’lgan material λ =1,55 mkmli nurlarni yutmasdan ichkariga o’tkazib yuboradi.
a) b)
1.29 – rasm. O’ta panjarali KFD konstruksiyasi (a) va zona diagrammasi (b)
KFDda o’ta panjara taxminan 50 ta o’zaro almashuvchi, qalinligi 45 nmni tashkil etuvchi legirlanmagan GaAs va qalinligi 55 nmni tashkil etuvchi keng zonali AlXGa1-XAs yarimo’tkazgichlardan iborat. GaAs/ AlXGa1-XAs geterotuzilmada x ning mos molyar qiymatlarida o’tkazuvchanlik zonadagi uzilish ΔWC≈0,48 eVni, valent zonadagisi esa ΔWV≈0,08 eV ni tashkil etsin. Chekkalarda joylashgan qatlamlarning yuqori darajada legirlanganligi ularni elektr o’tkazuvchan qatlamga aylatiradi. i – qatlamda elektr maydon kuchlanganligi 105 V/sm dan katta qiymatga yetadi. Bunday maydon ta’sirida zaryad tashuvchilar zarb bilan ionlashtirishga yetarli energiya oladilar. Agar ta’sir etuvchi nurlanish oqimi bo’lmasa FDdan boshlang’ich teskari tok oqadi, u tok qorong’ulik toki deb ataladi. To’lqin uzunligi λ =1,55 mkmli nurlanish (yorug’lik) oqimi mavjud bo’lganda i – qatlamning nisbatan tor zonali qismida (GaAs qatlamlarda) erkin elektron – kovak juftliklar hosil bo’ladi. Elektron tashqi elektr maydon E ta’sirida keng zonali yarimo’tkazgichda tezlatiladi. Bundan keyin tor zonali GaAs qatlamga o’tib u o’z energiyasini ΔWC≈0,48 eVga oshiradi. Bu zarbdan ionlashishning bo’sag’aviy kuchlanishi shu qiymatga tushganiga ekvivalent. Zarbdan ionlashish koeffisiyenti bo’sag’aviy energiya kamaygan sari eksponensial ortgani sababli ning elektronlar uchun effektiv qiymati keskin ortadi. Navbatdagi AlXGa1-XAs baryer qatlamda bo’sag’aviy kuchlanish ΔWS qiymatga ortadi. Bunda kamayadi. Ammo taqiqlangan energetik zonalarining farqi hisobiga ning o’rtacha qiymati o’ta panjaraning ikkita yonma – yon qatlamida sezilarli darajada ortadi.
ΔWV << ΔWC sababli, xuddi shunday effekt kovaklar koeffisiyenti uchun sezilarli darajada kichik bo’ladi. Shunday qilib ko’chkili ko’payish jarayoni asosan elektronlar hisobiga amalga oshadi. Ko’chkili ko’payish sohasi 25 baryer qatlamga ega bo’lgani uchun >>1, bo’ladi. Bu kichik signallarni yuqori darajada kuchaytirgan holda dioddagi shovqinlar darajasi kichik bo’lishini ta’minlaydi.
|