الإلكترونيات البصرية

الكترونيات بصريه

Optoelectronics - Optoélectronique

الإلكترونيات البصرية

فواز موصللي

 فيزياء الإلكترونيات البصرية

تطبيقات الإلكترونيات البصرية

الإلكترونيات البصرية optoelectronics هي فرع علمي وتقاني يبحث عموماً في مكوّنات إلكترونية أو بصرية يتفاعل فيها الضوء 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.

فيزياء الإلكترونيات البصرية

تتضمن فيزياء أنصاف النواقل وخواصها البصرية وتفاعل الضوء 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 للضوء (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 الحمراء مروراً بالمجال المرئيّ بألوانه كافة حتى الضوء الأبيض (الشكل 1).

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

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

2 - الثنائيات (الديودات) الليزرية LD

اقتضى تطوير الثنائيات الليزرية تعديلَ بنية الـثنائيات المصدِرة للضوء LED لتصبح مناسبةً لإصدار ضوءٍ 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.

تسمى هذه البنية أيضاً ثنائية الوصلة المتغايرة.double-heterojunction

مبدأ العمل: يبدأ الوسط الفعَّال بإصدار الضوء 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 للضوء عند وصول شدة التيار إلى عتبة محددة  I_th. يبيّن الشكل (5) الرسم البياني لمعادلة الاستطاعة الضوئية الصادرة بدلالة التيار الكهربائي.

طُوّرت أنواعٌ من الثنائيات الليزرية لسدّ حاجات التطبيقات المختلفة، وطُوّرت أنواعٌ خاصة تتميز بالنقاء 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 حيث x نسبة ذرات Al إلى ذرات Ga التي تتحكم في الطول الموجي للثنائي الليزري.

يبيّن الشكل (6) المجال الطيفي للثنائيات الليزرية Al_xGa_1-XAs (الخط الأزرق) عند تغيّر النسبة x من 0 إلى 1 (الخط الأحمر).

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.

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 band gap للنصف الناقل المستخدم يتولد إلكترونٌ في قطاع الناقلية وثقبٌ في نطاق التكافؤ ، يرتبط مصير هذا الزوج من الشحنات بمكان تولّده. تُميّز في الثنائي الضوئي ثلاث مناطق، كما هو مبيّن في الشكل (8).

- 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 . يوضّح الشكل (9) المردود الكمومي بدلالة الطول الموجي لبعض الثنائيات الضوئية، ويظهر في الشكل أيضاً الطول الموجي لبعض المرسلات الليزرية.

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):

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:

بطول موجي عبر بلّورة طولها L وعرضها d، كما هو مبيّن في الشكل (10).

يُطبّق على البلّورة فرق كمون V يُولِّد داخل البلّورة حقلاً كهربائياً مساوياً لـ . بعد اجتياز الموجة طول البلّورة تصبح صيغتها:

حيث فرق الطور يساوي لـ .

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

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

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):

حيث فرق 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 أداءً.

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).

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 الاستغناء 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.

التصنيف : الهندسة الالكترونية

النوع : الهندسة الالكترونية

المجلد: المجلد الثالث

رقم الصفحة ضمن المجلد : 0

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية