WWW.PDF.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Разные материалы
 

«Схемотехническое проектирование радиофотонных устройств и систем (Б.2.B.ДВ.3.4) Лабораторная работа № 2 Направление: 210400.62 ...»

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ

Кафедра Телевидения и мультимедийных систем

Схемотехническое проектирование радиофотонных устройств и систем (Б.2.B.ДВ.3.4) Лабораторная работа № 2 Направление: 210400.62 (11.03.01) РАДИОТЕХНИКА (ФГОС-3) Профиль: Радиофотоника.

Квалификация: ПРИКЛАДНОЙ БАКАЛАВР Форма обучения: очная Казань 2014 Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ Кафедра Телевидения и мультимедийных систем Лабораторная работа № 2 Исследование модуляционной способности полупроводникового лазера Для бакалавров дневной формы образования КАЗАНЬ 2014

Цель работы:

Ознакомление с модуляционной способностью полупроводникового лазера.

Сравнительный анализ времени задержки излучения лазера полученного из расчетов и времени полученного с помощью программы симулятора.

Введение Большие сигнальные характеристики связаны с модуляцией лазерных диодов цифровыми сигналами.

Одним из основных параметров лазерного диода при модуляции цифровыми сигналами являются время задержки, требуемое для достижения инверсии населенности в полупроводнике.

Полупроводниковый лазер, в качестве рабочего вещества имеет полупроводниковый кристалл. В полупроводниковом лазере, в отличие от лазеров др. типов, используются излучательные квантовые переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами кристалла. В полупроводниковом лазере возбуждаются и излучают (коллективно) атомы, слагающие кристаллическую решётку. Это отличие определяет важную особенность полупроводникового лазера — малые размеры и компактность (объём кристалла ~10-6— 10-2см3). В полупроводниковом лазере удаётся получить показатель оптического усиления до 104 см-1, хотя обычно для возбуждения генерации лазера достаточны и меньшие значения. Другими практически важными особенностями полупроводникового лазера являются: высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (до 30—50%); малая инерционность, обусловливающая широкую полосу частот прямой модуляции (более 109 Ггц); простота конструкции;

возможность перестройки длины волны l излучения и наличие большого числа полупроводников, непрерывно перекрывающих интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм.

При рекомбинации электронов проводимости и дырок в полупроводниках освобождается энергия, которая может испускаться в виде квантов излучения или передаваться колебаниями кристаллической решётки, т. е. переходить в тепло. Доля излучательных актов рекомбинации у таких полупроводников, как Ge и Si, очень мала, однако в некоторых полупроводниках (например, GaAs, CdS) при очистке и легировании она может приближаться к 100%.

Для наблюдения люминесценции необходимо применить какой-либо способ возбуждения (накачки) кристалла, т. е. способ генерации избыточных электроннодырочных пар (светом, быстрыми электронами или электрическим полем). При малой скорости образования избыточных электронно-дырочных пар излучательная рекомбинация носит беспорядочный (спонтанный) характер и используется в нелазерных полупроводниковых источниках света. Чтобы получить генерацию когерентного излучения, т. е. лазерный эффект, необходимо создать особое состояние люминесцирующего кристалла — состояние с инверсией населённостей.

Рекомбинация электронно-дырочной пары может сопровождаться испусканием кванта излучения, близкого по энергии к ширине запрещенной зоны DE полупроводника (рис. 1, а); при этом длина волны = hc/DE, где h — Планка постоянная, с — скорость света.

Рис.1 Полупроводниковый лазер. Энергетические схемы Инверсия населённостей в полупроводниках. Оптическое квантовое усиление в полупроводнике может наблюдаться в том случае, если зона проводимости вблизи её дна Ec заполнена электронами в большей степени, чем валентная зона вблизи её потолка Eu.

Преобладание числа переходов с испусканием квантов над переходами с их поглощением обеспечивается тем, что на верхних уровнях находится больше электронов, чем на нижних, тогда как вероятности вынужденных переходов в обоих направлениях одинаковы. Заполнение зон принято описывать с помощью т. н. квазиуровней Ферми, отделяющих состояния с вероятностью заполнения уровней больше 1/2 от состояний с вероятностью заполнения меньше 1/2.

Если ЕЗi и ЕDi — квазиуровни Ферми для электронов и дырок, то условие инверсии населённостей относительно переходов с энергией hn (где n — частота излучения) выражается формулой:

ЕЗi - ЕDi hn. (1)

Для поддержания такого состояния необходима высокая скорость накачки, восполняющей убыль электронно-дырочных пар вследствие излучательных переходов.

Благодаря этим вынужденным переходам поток излучения нарастает (рис. 1, б), т. е.

реализуется оптическое усиление.

В П. л. применяют следующие методы накачки:

1) инжекция носителей тока через р—n-переход, гетеропереход или контакт металл — полупроводник (инжекционные лазеры);

2) накачка пучком быстрых электронов;

3) оптическая накачка;

4), накачка путём пробоя в электрическом поле.

Наибольшее развитие получили П. л. первых двух типов.

Инжекционные лазеры. Лазер на р—n-переходе представляет собой полупроводниковый диод, у которого две плоскопараллельные поверхности, перпендикулярные р—n-переходу (рис. 2), образуют оптический резонатор (коэффициент отражения от граней кристалла ~20—40%). Инверсия населённостей достигается при большой плотности прямого тока через диод (порог генерации соответствует току ~1 кА/см2, а при пониженной температуре ~ 102 A/см2, рис. 3). Для получения достаточно интенсивной инжекции применяют сильно легированные полупроводники.

–  –  –

Активный слой (GaAs) заключён между двумя полупроводниковыми гетеропереходами, один из которых (типа р—n) служит для инжекции электронов, а второй (типа р—р) отражает инжектированные электроны, препятствуя их диффузионному растеканию из активного слоя (электронное ограничение). При одинаковом токе накачки в активном слое гетероструктуры достигается большая концентрация электронно-дырочных пар и, следовательно, большее оптическое усиление, чем в П. л. На р—n-переходах. Другое преимущество гетероструктуры состоит в том, что образованный активным слоем диэлектрический волновод удерживает излучение, распространяющееся вдоль структуры, в пределах активного слоя (оптическое ограничение), благодаря чему оптическое усиление используется наиболее эффективно.

Для П. л. на гетеропереходе необходимая плотность тока при Т = 300К более чем в 10 раз ниже, чем у П. л. на р—n-переходе, что позволяет осуществить непрерывный режим генерации при температуре до 350 К.

П. л. инжекционного типа работают в импульсном режиме с выходной мощностью до 100 вт и в непрерывном режиме с мощностью более 10 вт (GaAs) в ближней инфракрасной (ИК) области (l = 850 нм) и около 10 мвт (PbxSn1-xTe) в средней ИК области (l = 10 мкм). Недостаток инжекционных лазеров — слабая направленность излучения, обусловленная малыми размерами излучающей области (большая дифракционная расходимость), и относительно широкий спектр генерации по сравнению с газовыми Полупроводниковые лазеры с электронной накачкой. При бомбардировке полупроводника быстрыми электронами с энергией W ~ 103—106эв в кристалле рождаются электронно-дырочные пары; количество пар, создаваемое одним электроном, ~W/3DE.

Этот способ применим к полупроводникам с любой шириной запрещенной зоны.

Выходная мощность П. л. достигает 106вт, что объясняется возможностью накачки большого объёма полупроводника (рис. 5). Техническое достоинство П. л. с электронной накачкой — возможность быстрого перемещения (сканирования) электронного пучка по кристаллу, что даёт дополнительный способ управления излучением. Т. к. заметная часть энергии электронного пучка тратится на разогрев решётки кристалла, то кпд ограничен (~1/3); на каждую электронно-дырочную пару расходуется энергия 3DE, а испускается фотон с энергией ~DE Рис. 5 Полупроводниковые лазеры

Модуляция полупроводникового лазера.

Для модулирования п.л. используют прямую модуляцию. Выходное излучение полупроводникового светодиода или лазера меняется по уровню при изменении характеристик активного слоя (тока накачки/инжекции, объема резонатора лазера) Чаще всего при прямой модуляции изменяется выходная мощность или излучение выходит импульсами за счет изменения величины силы тока, протекающего через прибор.

Для полупроводникового лазера, время жизни носителей ограничивает коэффициент модуляции.

Для импульса тока Ip, промежуток времени td, определяется как:

(2) Это время необходо, чтобы достигнуть инверсии населения, чтобы произвести усиление. Ip и Ith токи смещения и пороговые токи и среднее время жизни носителей. От этой формулы получим, что задержка может быть устранена, смещая диод в направлении порога лазерной генерации.

Исследовать данный эффект можно с помощью схемы представленной на рис. 6.

–  –  –

1. Запустить программу моделирования OptiSystem загрузить схему представленную на рис. 6 из папки С:/СТПРФУиС/Л.Р. 2.

2. При необходимости сконфигурировать программу согласно рис. 7.

3. Получить на экране осциллографа импульс представленный на рис. 9, для чего задать параметры по оси Х согласно рисунка.

–  –  –

Рис. 11

6. Определить задержку импульса излучения td относительно импульса накачки.

7. Задать параметры ЛД согласно рис. 10, задав импульс тока Ip=50мА, ток смещения Ip =33,45мА. Повторить пункт 5, 6.

8 По формуле 2 рассчитать время td для параметров пункта 4 и 7 исходя из времени жизни носителей =0.95нсек.

–  –  –

1. Отчет должен содержать теоретическую част.

2. Схему системы измерения набранную в OptiSystem.

3. Графики.

4.Расчет времени задержки.

–  –  –

1. Назовите методы накачки полупроводниковых лазеров

2. Назовите основные методы накачки полупроводниковых лазеров

3. Что такое инжекционные лазеры.

4. Что влияет на задержку излучения полупроводникового лазера.

Похожие работы:

«Кудрявцев Андрей Владимирович НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИКРОКРИСТАЛЛОВ ГЛИЦИНА И ФЕНИЛАЛАНИНОВ 01.04.07 – Физика конденсированного состояния АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математич...»

«Jack K. Hutson Джек К. Хатсон Метод Вайкоффа (Wyckoff) Часть 1 Любой кто покупает или продает акции, облигации или товары ради прибыли спекулянт, но только, если он пользуется интеллектуальным предвидением...»

«Министерство образования Российской Федерации Ухтинский государственный технический университет Н.И. АВЕРЬЯНОВА, И.А. ШИПУЛИНА, А.Е. ЖУЙКОВ, Н.Ю. ЗАРНИЦЫНА, Л.А. КИЧИГИНА, Е.А.ВЕЛЬДЕР ПИЕЛОНЕФРИТ И ГЛОМЕРУЛОНЕФРИТ У ДЕТЕЙ Ухта, 2...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ В.В. Каюков ПРАКТИКУМ ПО МИКРОЭКОНОМИКЕ Учебное пособие Ухта ББК 65.01.Я 7 К 31 Каюков В.В. Практикум по микроэкономике: Учебное...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ Кафедра Телевидения и мультимедийных систем УТВЕРЖДАЮ Первый проректор-проректор по ОД Н.Н. Маливанов « » 201 _г. Регистрационный № КО...»

«Общая техническая часть для изданий КО-ИНВЕСТ серии «Справочник оценщика» Оборот титула Представленная в справочнике информация предназначается для использования при определении стоимости воспроизводства (замещения) оцениваемых объектов, а также величины физического и функционального износа....»

«Шутов Владимир Дмитриевич ЛИНЕАРИЗАЦИЯ СВЧ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ МЕТОДОМ ЦИФРОВЫХ ПРЕДЫСКАЖЕНИЙ Специальности 01.04.03 – Радиофизика, 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Воронеж – 2015 Работа выполнена в Воронежском госу...»

«УДК 004.9 ПРОКОПЧУК Юрий Александрович МЕТОДОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ПАРАДИГМЫ ПРЕДЕЛЬНЫХ ОБОБЩЕНИЙ Специальность 05.13.06 – Информационные технологии Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Научный консультант Алпатов Ана...»

«БЕЛОЛИПЕЦКИХ НАТАЛЬЯ ВИКТОРОВНА СТИМУЛИРОВАНИЕ ПОЛОРОЛЕВОЙ СОЦИАЛИЗАЦИИ СТУДЕНЧЕСКОЙ МОЛОДЁЖИ (на примере строительного колледжа) 13.00.02 – Теория и методика обучения и воспитания (социальное воспитание в разных образовательных областях и на всех уровнях системы образования) ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой сте...»

«КОСТИН АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ИЗМЕРЕНИЕ И МЕХАНИЗМЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ТЕНЕВОЙ ЭКОНОМИКИ НА ПРИМЕРЕ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Специальность 08.00.13 Математические и инструментальные методы экономики АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на...»





















 
2017 www.pdf.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - разные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.