תקשורת אופטית

תקשורת אופטית היא אמצעי המשתמש בקרינה אלקטרומגנטית להעברת מידע. המשדר יכול לשדר אותות חשמליים הממומרים לקרינה, שתומר בחזרה לאות חשמלי במקלט. בימינו, כדי להעביר מידע, נפוץ מאד השימוש בלייזרים (LASER = light amplification by stimulated emission of radiation) ובסיבים אופטיים, המסוגלים להעביר מידע רב ומהירות גדולה. בניסוי זה נעביר מידע אודות טמפרטורה של חצי מוליך על ידי המרת המידע לקרינה מאופננת קליטתו וניתוחו.

רקע תיאורטי

בעזרת קרן לייזר אחת וסיב אופטי אחד אפשר להעביר בו זמנית מיליוני שיחות טלפון או מאות שידורי תחנות טלוויזיה. איך זה מתבצע? תדר התנודה של גלי אור הוא בסדר גודל של $10^{14} Hz$ עד $10^{15} Hz$, כך שאפשר לאפנן אותם עם תדר גבוה מאד, לדוגמא $10^{10} Hz$. לכל ערוץ טלפון בוחרים את תדר האפנון שלו, תדר זה הופך לגל נושא ביחס למידע הקולי שמועבר. בגלל שבקשר טלפוני, התדרים הנושאים של ערוצים שונים יכולים להיות במרווח של $10 KHz$ בלבד אחד מהשני, בתחום התדרים של Hz $10^{10}Hz$ אפשר להכניס מיליון ערוצי טלפון. ברור שבכל ערוץ חייב להיות מקלט המכוון לתדר הנושא המתאים לו בלבד.

אנו נשתמש במערכת פשוטה מאד של מדידה מרחוק שבה דיודה פולטת אור (LED = light emitting diode) נמצאת בצד המשדר ופוטו-דיודה עם מגבר בצד הקולט. שני הצדדים יחוברו ע"י סיב אופטי (light guide).

דיודה פולטת אור עשויה מחצי מוליך הבנוי בצורת צומת p-n. צומת זה מחובר בממתח קדמי על מנת שיזרום בו זרם. כאשר האלקטרונים והחורים נסחפים לצומת הם יכולים להתחבר, לאבד מן האנרגיה שלהם ולפלוט פוטון. ה-LED מיצרת ספקטרום צר של תדרים ויכולה לשמש להעברת מידע אופטי תלוי תדר.

פוטו-דיודה משמשת כגלאי אור ההופך אור לזרם חשמלי. האור הפוגע ברכיב, יוצר אלקטרון וחור המופרדים באמצעות מתח ויוצרים זרם חשמלי.

מערכת הניסוי

איור 1 מציג את מערכת הניסוי. ה – LED מקבל ממחולל האותות מתח ריבועי הנשלט ע"י מתח חיצוני דרך כניסת ה- VCF -voltage controlling frequency. אנו יכולים להעביר כל אינפורמציה שהיא, המתורגמת לבסוף למתח. במקרה שלנו מדובר על העברת מידע על טמפרטורה של טרמיסטור חצי מוליך. פולסי האור נמדדים ע"י הפוטודיודה וניתנים לצפייה בעזרת האוסילוסקופ המשמש גם כמגבר. לאחר ההגברה, הפולסים ממשיכים לכניסת מערכת המדידה. את תדירותם ניתן למדוד ע"י הכניסה הדיגיטלית באמצעות חיישן סיבוב, Rotary motion sensor. הגדירו את החיישן בכניסה 1 של הערוץ הדיגיטאלי.

איור 1 - מערכת הניסוי

בתור מד טמפרטורה נשתמש בתרמיסטור – נגד העשוי מחומר חצי מוליך. ההתנגדות הסגולית של נגדים כאלו תלויה במידה רבה בטמפרטורה. ובניגוד למתכת רגילה, ככל שהטמפרטורה של הנגד עולה, ההתנגדות שלו יורדת. תלות הההתנגדות בחצי מוליך הולכת אקספוננציאלית עם הטמפרטורה: $R=R_0 \exp ({E_g \over {K_B T}})$, כאשר $E_g$ היא אנרגיית הפער בין פס הערכיות לפס ההולכה בחצי מוליך זה.

התרמיסטור מחובר לגשר ויטסטון כאשר הגשר מוזן ע"י מקור מתח ישר. מתח המוצא של הגשר תלוי בהתנגדות התרמיסטור כך שהמתח מנוצל לשליטה על תדר מחולל האותות.

איור 2 - מעגל מדידת התנגדות התרמיסטור

את טמפרטורת התרמיסטור ניתן למדוד גם ישירות באמצעות חיישן טמפרטורה שימוקם בתוך התרמיסטור.

בנוסף נחבר מעגל למדידת התנגדות התרמיסטור כפונקציה של הטמפרטורה (ראו איור 2). במעגל יחוברו בטור לתרמיסטור מקור זרם ישר מהממשק (5V) ונגד גדול של $100 K\Omega$. חיישן מתח ימדוד את המתח ישירות, כאשר הזרם יחושב בפשטות בכל טמפרטורה.

מהלך הניסוי

התרמיסטור נמצא בתוך נגד המשמש כתנור. על מנת לחמם את הנגד נחבר אותו למקור מתח של $9V$. השתמשו במערכת למדידה מרחוק, ומדדו כל שנייה הן את התדר העובר במערכת (sample rate על $1 Hz$) באמצעות חיישן הסיבוב והן את הטמפרטורה באמצעות מד הטמפרטורה. יש להתחיל את המדידות לפני שמתחילים לחמם. עליכם לקבל גרף חימום במשך 15 דקות. לאחר מכן נתקו את הנגד ממקור המתח וקבלו גרף קירור במשך 15 דקות נוספות.

בנו גרף של הטמפרטורה כפונקציה של התדירות וכיילו את המערכת באמצעות פולינום ממעלה שלישית.

בעזרת פונקציית הכיול שקיבלתם ציירו גרף של האינפורמציה שעברה במערכת כפונקציה של הזמן ביחד עם הטמפרטורה שמדדתם ישירות כפונקציה של הזמן.

מדידת פער האנרגיה בתרמיסטור

לשם תוספת ידע נאפיין את התרמיסטור ששימש אותנו בניסוי. על מנת לחמם את התרמיסטור חברו אותו למקור מתח חילופין 9V. מדדו ישירות את התנגדות התרמיסטור כפונקציה של הטמפרטורה על ידי בניית המעגל שבאיור 2.

בנו את הגרף $R(1/T)$ בסקאלה לוגריתמית, ומצאו את פער האנרגיה בחצי מוליך ממנו עשוי התרמיסטור.