Communication: Sending information from transmitter to receiver

Optical Communication: Transmission of signal in the form of light

1966 → Koo, Hokhan → Initially discovery of optical fiber → LASER Source

1838 → Telegraph → Samuel Morse → Electronic Communication

Radio Frequency : 300KHz - 300GHz

Amplitude Modulation : 540-1650KHz

Frequency Modulation: 88 - 108MHz

Optical Communication : 3*10^12 - 6*10^15 Hz

Different types of System

1G Optical Communication System : GaAs Source. Si Photodetector, multimode propagation → some losses, 45 Mbps, repeater → 10Km

2G Optical Communication: 1000 Mbps, repeater → 50 km

3G : 10 Gbps, repeater → 100 km

4G → 10 Tbps, Repeater → 10,000 km

5G → 40-60 Tbps, repeater → 35,000 km

Advantages:

1. Transmission bandwidth $\uparrow$ → channel capacity $\uparrow$

2. Compact Structure

3. Data rate $\uparrow$

Disadvantages

• If we use glass system → propagation lost 1000 dB km, impurity

Block Diagram of Optical Communication

Transmitter → Channel → Receiver

Multimode step index

CT 02 : Lecture 9-18

Topic 01: Fiber Fabrication

Fiber Fabrication is the process of manufacturing long, thin, flexible strands (or fiber) of high-purity glass (silica) that can guide light signals over long distance with minimal loss.

Materials for Fiber Fabrication

(অপটিক্যাল ফাইবার তৈরির উপাদানসমূহ)

✅ মূল উপাদান (Starting Materials):

ফাইবার তৈরির জন্য শুরুতে যে পদার্থগুলো ব্যবহার করা হয়, সেগুলো হলো:

• Silica-এর হ্যালাইড (যেমন: SiCl₄ → সিলিকন টেট্রাক্লোরাইড)

• Dopant (মিশ্রক পদার্থ) যেমন:
  • GeCl₄ (Germanium tetrachloride)
  • TiCl₄ (Titanium tetrachloride)
  • BBr₃ (Boron tribromide)

👉 এগুলো সবই বিশুদ্ধ করা হয় যাতে transition-metal (যেমন iron, copper ইত্যাদি) ধরনের অশুদ্ধতা ১০ ppb (parts per billion)-এর নিচে নামানো যায়। কারণ এসব ধাতব অশুদ্ধতা থাকলে ফাইবারে আলো বেশি শোষিত হয়ে যায়, ফলে সিগন্যাল দুর্বল হয়ে পড়ে। Then gaseous mixtures of halides of silica and the dopants are combined in vapor phase oxidation.

✅ Vapor Phase Oxidation:

এই বিশুদ্ধ গ্যাসীয় উপাদানগুলোর জমাট কাচে পরিণত করার জন্য দুটি পদ্ধতি ব্যবহৃত হয়:

1. Flame Hydrolysis Method

2. Chemical Vapor Deposition (CVD) Method

এই দুই প্রক্রিয়ায় গ্যাসকে উত্তপ্ত করে কণা (soot) আকারে কাচ তৈরি করা হয়, যা পরে প্রিফর্মে রূপ নেয়।

🔹 ফাইবার তৈরিতে ব্যবহৃত বিভিন্ন ধরনের কাচ:

🔹 Refractive Index (RI) – অপটিক্যাল আচরণ বুঝতে গুরুত্বপূর্ণ:

• Silica এবং Fluoride Glasses: RI ≈ 1.5

• Chalcogenide Glasses: RI ≈ 3.0 (অনেক বেশি)

🔍 সাধারণভাবে, core এবং cladding-এর মধ্যে refractive index-এর পার্থক্য ১%-এর কম রাখা হয়, যাতে আলো ভেতরে রিফ্লেক্ট হতে থাকে (Total Internal Reflection হয়) এবং বাইরে বের না হয়ে যায়।

Basic Principle of Fiber Fabrication

(ফাইবার তৈরির মূল নীতিমালা)

ফাইবার তৈরির সময়, যেসব রাসায়নিক বিক্রিয়া ঘটে, তাতে যে অক্সাইডগুলো (যেমন SiO₂) তৈরি হয়, সেগুলো সাধারণত:

• একটি substrate (যেমন কাচের রড বা ছাঁচ) এর ওপর,

• অথবা একটি ফাঁপা টিউবের ভিতরে স্তর ধরে জমা করা হয়।

👉 এই প্রক্রিয়ায় স্তর-স্তর করে কাচ তৈরি হয় — যাকে বলে successive layering।

🔸 ডোপ্যান্ট (dopant) এর ঘনত্ব ধীরে ধীরে পরিবর্তন করে এমনভাবে নিয়ন্ত্রণ করা হয় যাতে চাহিদা অনুযায়ী refractive index profile পাওয়া যায়। যেমন, যদি আমরা graded index fiber চাই, তাহলে ধীরে ধীরে পরিবর্তন করা হয়।

⚙️ এই পুরো প্রক্রিয়ার শেষে আমরা পাই:

• হয় একটি মজবুত কাচের রড,

• নয়তো একটি ফাঁপা কাচের টিউব।

➡️ যেটিকে পরে উচ্চ তাপে গরম করে সংকুচিত (collapse) করে একটানা, পূর্ণ কাচের রড (preform) বানানো হয়।

এই নীতির ওপর ভিত্তি করেই বিভিন্ন ধরনের ফাইবার ফ্যাব্রিকেশন টেকনিক (যেমন MCVD, OVD, PCVD ইত্যাদি) তৈরি হয়েছে।

🔹 Silica (সিলিকা)

• Silica হলো সবচেয়ে প্রচলিত এবং কার্যকরী উপাদান যা দিয়ে অপটিক্যাল ফাইবার তৈরি হয়।

• এটি বিস্তৃত তরঙ্গদৈর্ঘ্যের সীমায় ভালো অপটিক্যাল ট্রান্সমিশন (আলোর পরিবহন) করতে পারে।

• বিশেষ করে near infrared (IR) অঞ্চলে, অর্থাৎ ১.৫ মাইক্রোমিটার (১৫৫০ nm) তরঙ্গদৈর্ঘ্যে, সিলিকার আলো শোষণ (absorption) এবং বিচ্ছুরণ (scattering) ক্ষতি খুবই কম — প্রায় ০.২ dB/km।

• এত কম লস সম্ভব হয় শুধু মাত্র কারণ, ultra-pure (অতিশুদ্ধ) silica ব্যবহার করা হয়।

🔹 Silica Glass Fiber Fabrication (দুই ধাপে ফাইবার তৈরি)

1. Preform তৈরি করা হয়

2. তারপর Preform থেকে fiber টানা হয় (Drawing process)

🔸 Step 1: Preform Fabrication (প্রীফর্ম তৈরি)

• অপটিক্যাল ফাইবার তৈরি করার জন্য প্রথমে একটি বড় ব্যাসের Preform (কাচের রড) তৈরি করা হয়, যাতে refractive index profile খুব নিখুঁতভাবে নিয়ন্ত্রিত থাকে।

• এরপর এই প্রিফর্মটিকে উত্তপ্ত করে লম্বা, পাতলা ফাইবারে রূপান্তর করা হয় (এটিই ফাইবার টানা বা "drawing" প্রক্রিয়া)।

🔹 Preform তৈরি সাধারণত হয় CVD (Chemical Vapor Deposition) পদ্ধতি ব্যবহার করে।

🔸 Inside Vapor Deposition Method (ভিতরের বাষ্প জমার পদ্ধতি)

• এই পদ্ধতিতে প্রিফর্ম তৈরি শুরু হয় একটি ফাঁপা কাচের টিউব দিয়ে, যার দৈর্ঘ্য সাধারণত প্রায় ৪০ সেন্টিমিটার।

• এই টিউবটি আনুভূমিকভাবে একটি ল্যাথে ঘোরানো হয়।

⚙️ কেমিক্যাল কীভাবে কাজে লাগে:

1. টিউবের এক পাশে SiCl₄ (Silicon Tetrachloride) এবং O₂ (অক্সিজেন) গ্যাস প্রবেশ করানো হয়।

2. বাইরে থেকে একটি Hydrogen Burner দিয়ে গ্যাসগুলোকে উত্তপ্ত করা হয় – প্রায় ১৯০০ K (১৬০০°C) পর্যন্ত।

3. এই উচ্চ তাপে SiCl₄ + O₂ → SiO₂ (Silica) কণা তৈরি হয় গ্যাস পর্যায়ে।

4. এই Silica কণাগুলো টিউবের ভিতরের পৃষ্ঠে জমা হয় — একে বলে soot deposition।

5. স্তর ধরে এই কণা জমে জমে শেষ পর্যন্ত একটি প্রিফর্ম তৈরি হয়।

🔸 Core এবং Cladding তৈরির দুটি Technique:

🔹 প্রথম টেকনিকটিতে core-এ dopant মেশানো হয় যাতে refractive index বাড়ানো যায়।

🔹 দ্বিতীয় টেকনিকটিতে core খাঁটি SiO₂ থাকে, এবং cladding-এ dopant দিয়ে refractive index কমিয়ে ফেলা হয়।

🌟 Preform Fabrication ধাপসমূহ (বাংলা ভাষায়)

১. সিলিকা কাঁচের একটি নল নেওয়া হয়।

একে substrate tube বলা হয়।

২. ঘূর্ণায়মান এই নলের এক প্রান্ত দিয়ে গ্যাসীয় রাসায়নিকের মিশ্রণ (যেমন SiCl₄ + O₂) ঢোকানো হয়।

এই গ্যাস মিশ্রণে পরে ডোপেন্ট (যেমন GeCl₄) ও যোগ করা হবে।

৩. নলটি একটি হাইড্রোজেন-অক্সিজেন বার্নারের সাহায্যে ১৬০০°C তাপমাত্রায় উত্তপ্ত করা হয়।

বার্নারটি সামনে-পেছনে চলে যাতে নলের সব অংশ গরম হয়।

৪. এই উচ্চ তাপমাত্রায় রাসায়নিক বিক্রিয়ার মাধ্যমে 'সুট' নামে কাঁচের সূক্ষ্ম কণা তৈরি হয়।

এই কণাগুলো ধীরে ধীরে ভেতরের গায়ে জমা হতে থাকে।

৫. এই সুট প্রথমে ক্ল্যাডিং হিসেবে নলের ভেতরে পাতলা কাঁচের স্তর তৈরি করে।

এটি সাধারণত শুধুমাত্র SiO₂ দিয়ে তৈরি হয়।

৬. এরপর কোর তৈরি করতে GeCl₄ (জার্মেনিয়াম টেট্রাক্লোরাইড) প্রবাহিত করা হয়।

এটি কোরের refractive index বাড়ায়। যখন পর্যাপ্ত কোর-স্তর তৈরি হয়, তখন এটি বন্ধ করা হয়।

৭. শেষে তাপমাত্রা বাড়িয়ে প্রায় ২০০০°C তে নিয়ে যাওয়া হয় যাতে পুরো নলটি গলে গিয়ে একটি শক্ত কাঁচের রডে পরিণত হয়, যাকে বলা হয় preform।

এই রড থেকে পরে ফাইবার টানা হবে।

Drawing Process of Optical Fiber (বাংলা ব্যাখ্যা সহ)

✅ ধাপসমূহ:

১. Preform কে একটি Drawing Tower-এ স্থাপন করা হয়।

• Drawing Tower হলো একটি লম্বা উল্লম্ব যন্ত্র যেখানে উপরে প্রিফর্ম থাকে এবং নিচে ফাইবার বের হয়।

২. Preform-এর নিচের প্রান্তটিকে একটি গ্যাস বার্নার (বা গ্রাফাইট হিটার)-এর সাহায্যে গলানো হয়।

• সাধারণত ২০০০°C বা তারও বেশি তাপ লাগে এটি গলাতে।

1. গলে যাওয়া প্রান্ত থেকে একটি খুব সূক্ষ্ম ফাইবার নিচের দিকে টানা হয় (Pull করা হয়)।
   • এটি একদম সূক্ষ্ম সুতো বা সুতোর মতো হয়।
   • Pull করার স্পিড নিয়ন্ত্রণ করে ফাইবারের ব্যাস ঠিক রাখা হয়।

2. Diameter Monitor ব্যবহার করে প্রতিনিয়ত ফাইবারের ব্যাস মাপা হয়।
   • যদি ব্যাস কমে বা বেড়ে যায়, তাহলে টানার গতি সামঞ্জস্য করা হয়।

3. Coating Application:
   • ফাইবারের ওপরে সঙ্গে সঙ্গে UV-curable polymer coating লাগানো হয়।
   • এটি ফাইবারকে ভেঙে যাওয়া বা খারাপ হয়ে যাওয়া থেকে বাঁচায়।

4. Curing Process (UV light):
   • কোটিং লাগানোর পরে তা UV আলোতে শক্ত করা (cure) হয়।

5. Capstan:
   • একটি রোলার ফাইবারকে কন্ট্রোলড গতি ও টেনশন সহ টেনে নিয়ে যায়।

6. Take-up Reel:
   • সবশেষে ফাইবারটিকে রোল আকারে প্যাঁচিয়ে রাখা হয়।

🔷 Liquid Phase (Melting) Method

এই পদ্ধতিকে অনেক সময় Rod-in-Tube Method ও বলা হয়।

⚙️ ধাপসমূহ:

1. একটি Core Glass-এর রড নেওয়া হয়।

   → এটি হল সেই অংশ যার মধ্যে আলো চলাচল করবে।

2. রডটিকে একটি Cladding Glass টিউবের ভেতরে ঢুকিয়ে একটি Preform তৈরি করা হয়।

   → Core রড ভিতরে আর Cladding টিউব বাইরের আবরণ।

3. এই Preform-কে একটি Drawing Furnace-এ (উচ্চ তাপমাত্রার চুল্লি) খাওয়ানো হয়।

   → চুল্লির ভিতর প্রায় ২০০০ ডিগ্রি সেলসিয়াস পর্যন্ত তাপমাত্রা রাখা হয়।

4. Preform-এর নিচের অংশ নরম হয়ে গেলে, একটি সূক্ষ্ম ফাইবার টানা হয়।

   → ফাইবারের ব্যাস সাধারণত ১২৫ মাইক্রোমিটার।

5. একটি ফিডব্যাক সিস্টেম ফাইবারের ব্যাস পরিমাপ করে এবং সেই অনুযায়ী ফিড রেট ও টানার গতি নিয়ন্ত্রণ করে।

6. Bare Fiber টিকে সঙ্গে সঙ্গে Polymer Coating দেওয়া হয়।

   → এটি একটি প্রাইমারি প্রটেকশন লেয়ার, UV আলো বা তাপ দিয়ে শক্ত করা হয়।

7. ফাইনাল ফাইবার একটি রিল (Reel) এ প্যাঁচিয়ে রাখা হয়।

📌 একটি ১ মিটার প্রিফর্ম থেকে ২০-৩০ কিমি লম্বা ফাইবার ২-৩ ঘণ্টায় তৈরি করা যায়।

🔴 তবে এটি একটি batch process, মানে একবারে সীমিত পরিমাণ ফাইবার তৈরি হয় — ধারাবাহিক প্রোডাকশন সম্ভব না।

🔶 Double Crucible Method

এই পদ্ধতিটি continuous fiber manufacturing এর জন্য ব্যবহৃত হয়।

🛠️ যন্ত্রাংশ:

• দুটি concentric (একটির ভিতরে আরেকটি) platinum crucibles থাকে।

• এই crucible-গুলো একটি muffle furnaceএ রাখা হয় যার তাপমাত্রা ৮০০°C থেকে ১২০০°C এর মধ্যে নিয়ন্ত্রিত করা যায়।

⚙️ কাজের ধারা:

1. Core এবং Cladding Glass গুঁড়ো বা রড আকারে আলাদা করে দুই crucible-এ ফেলা হয়।

2. উভয় crucible-এর নিচে একটি করে Nozzle থাকে, যেখান দিয়ে গলে যাওয়া কাঁচ বেরিয়ে আসে।

3. এই দুই ধাতব crucible থেকে একসঙ্গে গলে বেরিয়ে আসে Core-Cladding যুক্ত ফাইবার।

4. ফাইবারকে একইভাবে polymer coating দেওয়া হয় এবং পরে রিল এ প্যাঁচানো হয়।

5. Index Grading (core-cladding এর মধ্যে ধীরে ধীরে পরিবর্তনশীল রিফ্র্যাকটিভ ইনডেক্স) সম্ভব হয় dopant diffusion এর মাধ্যমে।

✅ উপকারিতা:

🎯 ব্যবহারিক দিক:

• Liquid Phase পদ্ধতিতে high-grade communication fiber তৈরি হয়।

• Double Crucible পদ্ধতিতে low-cost, large-core, sensing or short-distance fiber তৈরি হয়।

Topic 02: LED

✨ অপটিক্যাল সোর্স: Light Emitting Diode (LED)

🔷 LED কী?

LED (Light Emitting Diode) হলো একটি সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইস যা বিদ্যুৎ প্রবাহিত হলে আলো বিকিরণ করে।

এটি একটি p-n জাংশন ডায়োড যা বিশেষভাবে ডোপড সেমিকন্ডাক্টর দিয়ে তৈরি হয়।

LED শুধুমাত্র forward bias অবস্থায় কাজ করে, অর্থাৎ এটি একদিকে কারেন্ট প্রবাহ ঘটাতে দেয় কিন্তু বিপরীত দিকে আটকায়।

🔧 LED-এর কাজ করার পদ্ধতি

1. যখন LED তে forward bias দেওয়া হয়, তখন:
   • n-টাইপ সেমিকন্ডাক্টর থেকে ইলেকট্রন p-টাইপ অঞ্চলের দিকে চলে যায়।
   • একইভাবে p-টাইপ অঞ্চলের হোল n-টাইপ অঞ্চলের দিকে চলে আসে।

2. জংশনে ইলেকট্রন ও হোল recombine করে — অর্থাৎ তারা একে অপরকে নিষ্ক্রিয় করে দেয়।

3. এই recombination-এর সময় ফোটন নির্গত হয়।

4. এই ফোটনের শক্তি হল forbidden energy gap (Eg) এর সমান — অর্থাৎ conduction band ও valence band-এর মাঝের শক্তি পার্থক্য।

🔬 কোয়ান্টাম তত্ত্ব অনুসারে:

• যখন কোনো ইলেকট্রন উচ্চ শক্তি স্তর (conduction band) থেকে নিচু শক্তি স্তরে (valence band) ফিরে আসে, তখন একটি ফোটন নির্গত হয়।

📌 ফোটনের শক্তি (Eg) এর সূত্র:

Eg=hfEg = hf

Eg=hf

যেখানে,

• hhh = Planck's constant

• fff = ফোটনের ফ্রিকোয়েন্সি

এছাড়া,

f=cλf = \frac{c}{\lambda}

f=λc

তাহলে,

Eg=hcλEg = \frac{hc}{\lambda}

Eg=λhc

অর্থাৎ, ফোটনের তরঙ্গদৈর্ঘ্য (λ\lambdaλ) energy gap-এর বিপরীতানুপাতিক।

⚠️ কেন সাধারণ সেমিকন্ডাক্টর দিয়ে আলো দেখা যায় না?

• সিলিকন (Si) ও জার্মেনিয়াম (Ge) হলো indirect bandgap semiconductors।

• এদের recombination-এর ফলে যে ফোটন তৈরি হয় তা ইনফ্রারেড রশ্মি — যা মানুষের চোখে দেখা যায় না।

• এই ইনফ্রারেড আলো তাপ হিসেবে অনুভূত হয়।

📌 কারণ, এই সেমিকন্ডাক্টরগুলিতে conduction ও valence band-এর সর্বোচ্চ/নিম্ন শক্তি একই moment-এ ঘটে না, তাই recombination-এর সময় momentum পরিবর্তন হয় এবং দৃশ্যমান আলো তৈরি হয় না।

📝 সংক্ষেপে: LED এর কাজের ধাপ

🔌 LED Biasing Circuit (সার্কিটে সংযুক্তি ও রক্ষা পদ্ধতি)

🔷 LED এর অপারেটিং ভোল্টেজ ও কারেন্ট:

• Forward Voltage Rating: 1V – 3V

• Forward Current Rating: 20 mA – 100 mA

➡️ যদি খুব বেশি ভোল্টেজ দেওয়া হয়, তাহলে LED-এর depletion region ভেঙে যায়, এবং LED নষ্ট হয়ে যেতে পারে।

✅ সমাধান:

একটি current-limiting resistor (Rs) LED-এর সঙ্গে series এ সংযুক্ত করা হয়।

📌 এই রেজিস্টরটি অতিরিক্ত কারেন্ট প্রবাহ রোধ করে এবং LED-কে নিরাপদ রাখে।

📐 LED-তে কারেন্টের গাণিতিক সূত্র:

$I_F=Vs−V_DRs, I_F = \frac{V_s - V_D}{R_s}$

$I_F=RsVs−V_D$

যেখানে,

• IFI_FIF = Forward current

• VsV_sVs = Source voltage

• VDV_DVD = LED-এর ভোল্টেজ ড্রপ

• RsR_sRs = সিরিজ রেজিস্টর

LED-এর ধরণসমূহ (রঙ অনুযায়ী)

🧾 Diode এবং LED-এর পার্থক্য (সারণী আকারে)

📊 LED-এর বৈশিষ্ট্য (LED Characteristics Summary)

✅ LED-এর সুবিধাসমূহ

• ছোট এবং সাশ্রয়ী

• বিদ্যুৎ সাশ্রয়ী

• মাইক্রোকন্ট্রোলারের মাধ্যমে ইনটেনসিটি নিয়ন্ত্রণযোগ্য

• দীর্ঘস্থায়ী (Long Lifetime)

• দ্রুত কাজ করে, ওয়র্ম-আপ লাগে না

• পরিবেশবান্ধব, ক্ষতিকর পদার্থ কম

• ঠাণ্ডা আবহাওয়ায় ভালো কাজ করে

• দিক নির্দেশিত আলো (Directional)

• ভালো কালার রেন্ডারিং

• সহজে নিয়ন্ত্রণযোগ্য

❌ LED-এর অসুবিধাসমূহ

• তাপমাত্রা সংবেদনশীল

• আলোয় গুণগত পার্থক্য থাকতে পারে

• ভোল্টেজ বাড়লে efficiency কমে যায়

• পোলারিটি সঠিক না হলে কাজ করে না

• তাপমাত্রা বাড়লে ক্ষতি হতে পারে

• পোকামাকড়কে আকর্ষণ করে (নির্দিষ্ট তরঙ্গদৈর্ঘ্যে)

💡 LED-এর ব্যবহার (Applications)

• ঘর ও শিল্পে বাল্ব হিসেবে

• মোটরসাইকেল ও গাড়ির লাইটে

• মোবাইল ডিসপ্লেতে

• ট্রাফিক সিগনাল লাইটে

• বিজ্ঞাপন বোর্ড, টিভি স্ক্রিন

03 : Laser

🌟 LASER:

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

📘 LASER কী?

LASER হলো এমন একটি ডিভাইস যা stimulated emission পদ্ধতির মাধ্যমে coherent (সামঞ্জস্যপূর্ণ) ও highly directional light নির্গত করে।

🔬 Laser Diode

🔹 পরিচিতি:

Laser Diode (বা Semiconductor Laser) একটি অপ্টোইলেকট্রনিক ডিভাইস, যা বৈদ্যুতিক শক্তিকে আলোর শক্তিতে রূপান্তর করে একটি coherent light beam তৈরি করে।

• আকারে খুবই ছোট (মিলিমিটারের ভগ্নাংশ)

• সস্তা, কার্যকর এবং বহুল ব্যবহৃত

• অন্য নাম: Junction Laser, Injection Laser, Semiconductor Laser

⚙️ Laser Diode-এর কাজের নীতি

Laser Diode-এর কাজ ৩টি প্রধান মৌলিক ধারণার উপর ভিত্তি করে:

1️⃣ Stimulated Emission

2️⃣ Population Inversion

3️⃣ Cavity Resonance

🌟 Emission-এর তিন ধরণ:

📈 কাজের ধাপ (Step-by-step):

🔹 1. Absorption of Energy:

• DC voltage দ্বারা ইলেকট্রন উত্তেজিত হয় → conduction band-এ চলে যায় → hole তৈরি হয়।

🔹 2. Spontaneous Emission:

• ইলেকট্রন গর্তে ফিরে আসলে স্বাভাবিকভাবে একটি ফোটন নির্গত করে।

🔹 3. Stimulated Emission:

• বাহ্যিক ফোটনের দ্বারা ইলেকট্রন প্ররোচিত হয়ে আগেভাগেই recombine হয় এবং একটি ফোটনের পরিবর্তে দুটি ফোটন নির্গত করে।

➡️ প্রতিটি incident ফোটন → 2 ফোটন তৈরি করে → এইভাবে coherent light তৈরি হয়।

🧠 LED ও Laser Diode-এর পার্থক্য (সারণী আকারে):

🔍 Population Inversion কী?

Population inversion তখন ঘটে যখন উচ্চ শক্তি স্তরে ইলেকট্রনের সংখ্যা বেশি হয় তুলনামূলকভাবে নিচু শক্তি স্তরের তুলনায়। এটি LASER light উৎপাদনের জন্য আবশ্যক।

🔄 Cavity Resonance

• Laser diode-এর মধ্যে দুটি reflective surface থাকে → একদিকে সম্পূর্ণ প্রতিফলক (100%), অন্যদিকে আংশিক (≈95%)।

• ফোটন বারবার প্রতিফলিত হয় → বারবার stimulated emission ঘটে → high-intensity beam তৈরি হয়।

✅ LASER-এর বৈশিষ্ট্যসমূহ:

• Monochromatic (একই রঙের আলোর তরঙ্গ)

• Coherent (সামঞ্জস্যপূর্ণ phase)

• Highly Directional (একদিকগামী)

• High Intensity (অত্যন্ত শক্তিশালী আলো)

• Stimulated emission ভিত্তিক

📱 LASER Diode-এর ব্যবহার (Applications)

• CD/DVD/Blu-ray players

• Barcode scanners

• Optical fiber communication

• Laser printers

• Medical instruments (e.g., eye surgery)

• Laser cutting & welding

🔋 Population Inversion ও Cavity Resonance

📈 কিছু ক্ষেত্রে Cavity ছাড়াও লেজার তৈরি সম্ভব:

• যেমন: Nitrogen Laser – এখানে একবার EM radiation gain medium-এর মধ্যে দিয়ে গেলেই যথেষ্ট। কিন্তু বেশিরভাগ ক্ষেত্রে cavity থাকা প্রয়োজন।

🔬 Gain Medium কী?

🪞 Optical Resonator (Optical Cavity)

• লেজারে দুইটি আয়না থাকে:
  • একদিকে সম্পূর্ণ প্রতিফলক (100%)
  • অন্যদিকে আংশিক প্রতিফলক (≈95%)

• আলো এই cavity-তে বহুবার সামনে-পেছনে প্রতিফলিত হয় → প্রতিবার stimulated emission হয় → আলো আরও amplify হয়।

• যখন gain > loss, তখন আলো এক্সপোনেনশিয়ালি বৃদ্ধি পায়।

⚖️ Lasing Threshold & Saturation

💡 Laser Light-এর বৈশিষ্ট্যসমূহ

Beam types: Gaussian beam, top-hat beam, Bessel beam, multimode transverse modes, optical vortex।

🔧 Laser Diode-এর কাজ করার পদ্ধতি

1. DC voltage প্রয়োগে n-type থেকে p-type-এ ইলেকট্রন চলে আসে।

2. কিছু ইলেকট্রন spontaneous emission দ্বারা ফোটন নির্গত করে।

3. এই ফোটনগুলো excited electrons-কে stimulate করে → আরও ফোটন নির্গত হয় → stimulated emission।

4. ফোটন দুইটি প্রতিফলক আয়নার মাঝে bounce করে → প্রতিবার amplify হয়।

5. শেষমেশ, আংশিক প্রতিফলক আয়নার মধ্য দিয়ে একরেখা লেজার আলো বের হয়ে আসে।

🧮 Fabry-Pérot Laser Diode

🔹 গঠন:

• দুইটি সমতল আয়না দ্বারা তৈরি cavity

• Cavity-এর ভিতর standing wave তৈরি হয় → শুধুমাত্র নির্দিষ্ট ফ্রিকোয়েন্সি রেজোন্যান্সে থাকে

• Longitudinal Mode কেবল propagate করতে পারে

🔹 রেজোন্যান্স কন্ডিশনের সূত্র:

fn=nv2Lf_n = \frac{n v}{2L}

fn=2Lnv

যেখানে,

• fnf_nfn: nth harmonic frequency

• vvv: light এর গতি (medium অনুযায়ী)

• LLL: cavity এর দৈর্ঘ্য

• nnn: পূর্ণসংখ্যা (mode number)

🔹 গ্রাফ বিশ্লেষণ (সংক্ষেপে):

• Standing wave only forms when the cavity length LLL satisfies integral multiples of half-wavelength

• Gain spectrum-এর সাথে overlap করা ফ্রিকোয়েন্সি-গুলো lasing modes হিসেবে কাজ করে

• Fabry-Pérot লেজারে multiple longitudinal modes থাকতে পারে

✅ Laser Diode-এর সুবিধা ও অসুবিধা

🛠️ Applications of Laser Diode

• ✅ Laser pointers

• ✅ Optical disk drives (CD/DVD)

• ✅ Fiber optic communication

• ✅ Barcode readers

• ✅ Laser surgery & skin treatments

• ✅ Measuring speed, range

• ✅ Military range-finding

• ✅ DNA sequencing

• ✅ Entertainment (laser shows)

Topic 04 : Photodiode

🌟 অপটিক্যাল ডিটেক্টর (Optical Detectors) কী?

অপটিক্যাল ডিটেক্টর হলো এমন একটি যন্ত্র যা আলো বা ফোটনকে বৈদ্যুতিক সংকেতে রূপান্তর করে। সাধারণত এগুলো ফাইবার অপটিক কমিউনিকেশন, সেন্সর, আলোর পরিমাণ পরিমাপ, ও সুরক্ষা ব্যবস্থায় ব্যবহৃত হয়।

১. p-n ফটোডায়োড (p-n Photodiode)

📌 সংজ্ঞা:

p-n ফটোডায়োড একটি p-n জাংশন ডায়োড যা রিভার্স বায়াস অবস্থায় আলো পড়লে বৈদ্যুতিক কারেন্ট তৈরি করে। যত বেশি আলো পড়ে, তত বেশি রিভার্স কারেন্ট সৃষ্টি হয়।

⚙️ গঠন ও কাজের প্রক্রিয়া:

• এটি একটি রিভার্স বায়াসড ডায়োড, যেখানে আলো পড়লে ইলেকট্রন-হোল জোড়া তৈরি হয়।

• এই ইলেকট্রন ও হোল গুলো বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র দ্বারা বিপরীত দিকে চলাচল করে, ফলে ফটোকারেন্ট তৈরি হয়।

• আলো বেশি পড়লে, রেজিস্টেন্স কমে যায়, ফলে ডায়োড বেশি কারেন্ট পরিবহন করে।

🔬 আলোক-সংশ্লিষ্ট ঘটনা:

• আলো যদি depletion region এ পড়ে, তবে ইলেকট্রন-হোল জোড়া তৈরি হয় এবং এগুলো থেকে কারেন্ট উৎপন্ন হয়।

• যদি p বা n অঞ্চলে পড়ে, তবে সেগুলো তাপ হিসেবে হারিয়ে যায় যদি depletion region থেকে দূরে হয়।

📏 মূল বৈশিষ্ট্যসমূহ:

🛠️ ব্যবহার:

• এলার্ম সার্কিটে

• কাউন্টার সার্কিটে

• কম্পিউটার ইন্টারফেস ডিভাইসে

২. p-i-n ফটোডায়োড (p-i-n Photodiode)

📌 সংজ্ঞা:

এটি একটি p-i-n টাইপ ডায়োড যেখানে p এবং n অঞ্চলের মাঝে একটি অ-ডোপড (intrinsic) অঞ্চল থাকে, যা depletion region কে বড় করে এবং ডিভাইসটির গতি ও কার্যকারিতা বাড়ায়।

⚙️ গঠন ও কাজের প্রক্রিয়া:

• গঠনে থাকে: p-টাইপ অঞ্চল, intrinsic (i) অঞ্চল এবং n-টাইপ অঞ্চল।

• i-অঞ্চল খুবই পাতলা (১০ থেকে ২০০ মাইক্রন) ও উচ্চ রেজিস্ট্যান্স সম্পন্ন।

• এতে আলোর শোষণ বেশি হয়, ইলেকট্রন-হোল জোড়া বেশি তৈরি হয় এবং responsivity বাড়ে।

📏 মূল বৈশিষ্ট্যসমূহ:

🛠️ ব্যবহার:

• ফাইবার অপটিক যোগাযোগে

• এক্স-রে ও গামা রে শনাক্তকরণে

• RF ও মাইক্রোওয়েভ সার্কিটে

• ফটোভোল্টেইক সেল ও ফোটোডিটেক্টরে

💡 অতিরিক্ত তথ্য:

• Reverse bias দিলে এটি ভ্যারিয়েবল ক্যাপাসিটার হিসেবে কাজ করে।

• Forward bias দিলে এটি ভ্যারিয়েবল রেজিস্টর হিসেবে কাজ করে।

৩. অ্যাভালাঞ্চ ফটোডায়োড (Avalanche Photodiode - APD)

📌 সংজ্ঞা:

এটি একটি উচ্চ সংবেদনশীল ফটোডায়োড যা ফোটনের মাধ্যমে ইলেকট্রন-হোল জোড়া তৈরি করে এবং অ্যাভালাঞ্চ ইফেক্ট দ্বারা বহুগুণ কারেন্ট উৎপন্ন করে।

⚙️ গঠন ও কাজের প্রক্রিয়া:

• গঠনে: p+, p, i (intrinsic), n, এবং n+ অঞ্চল থাকে।

• উচ্চ রিভার্স বায়াস প্রয়োগে ইলেকট্রন-হোল জোড়াগুলো সংঘর্ষ করে আরও জোড়া তৈরি করে (impact ionization)।

• এটি অভ্যন্তরীণ গেইন তৈরি করে, ফলে অল্প আলোতেও বেশি কারেন্ট উৎপন্ন হয়।

⚡ Impact Ionization:

• ফোটন -region-এ পড়লে ইলেকট্রন-হোল জোড়া তৈরি হয়।

• ইলেকট্রন তীব্র ইলেকট্রিক ফিল্ড দ্বারা ত্বরান্বিত হয়ে অন্য পরমাণুর সাথে সংঘর্ষ করে আরও ইলেকট্রন-হোল জোড়া তৈরি করে।

📏 বৈশিষ্ট্য:

🛠️ ব্যবহার:

• দূর্বল আলো শনাক্তকরণ

• ফাইবার অপটিক রিসিভার

• লেজার রেঞ্জ ফাইন্ডার

• নিউক্লিয়ার ডিটেকশন

📊 তুলনামূলক চার্ট: LED vs Photodiode

✅ p-n, p-i-n এবং Avalanche Photodiode-এর তুলনামূলক পার্থক্য

🧠 মনে রাখার জন্য টিপস:

🔹 p-n:

• সহজ এবং সস্তা

• কম আলোতেও কিছুটা কাজ করে

• Depletion কম → কারেন্ট কম

🔹 p-i-n:

• i-region → বেশি আলো শোষণ

• দ্রুত রেসপন্স

• Fiber optics-এর জন্য আদর্শ

🔹 Avalanche:

• High reverse voltage → Avalanche effect

• Internal multiplication → বেশি কারেন্ট

• Signal খুব দুর্বল হলে ব্যবহার হয়