Оптоэлектроника Полупроводниковый лазер Волоконно-оптический световод Электронно-дырочный переход Изучение законов внешнего фотоэффекта

Лабораторные работы по электронике

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ОПТОИНФОРМАТИКЕ

Источники и приемники оптического излучения на основе полупроводников В устройствах оптоинформатики широко используются оптоэлектронные приборы на основе полупроводников. К этим приборам относятся светодиоды и лазеры – как источники света и фотодиоды – как приёмники оптического сигнала. Полупроводники – это вещества, которые по величине электропроводности занимают промежуточное значение между металлами и диэлектриками.

Экспериментальная установка, принципиальная блок-схема которой приведена на рис.5, состоит из узла источника излучения с полупроводниковым лазером (ПЛ), узла приемника излучения, включающего приемник излучения (ПИ), поляризационного светофильтра (ПС) и измерительных приборов (мультиметры – М1 и М2).

Одной из важнейших характеристик лазера являются поляризационные свойства его излучения, которые в полупроводниковых источниках излучения тесно связаны с величиной тока, протекающего через p-n переход. Как известно из литературных данных излучение полупроводниковых источников частично поляризовано, и его можно представить (по крайней мере, формально) как совокупность естественного и линейно поляризованного излучения

Полупроводниковые детекторы оптического излучения в устройствах оптоинформатики Цель работы: Изучение принципов работы и использования приемников оптического излучения на основе полупроводниковых диодов в устройствах оптоинформатики.

Исследование приемника излучения в фотогальваническом режиме работы

Оценка расходимости пучка лазерного излучения Цель работы: Провести оценку расходимости излучения лазера по измерениям профиля лазерного пучка.

Схема установки для измерения распределения интенсивности в поперечном сечении пучка излучения полупроводникового лазера

Сравнение быстродействия p-n и p-i-n диодов, используемых в качестве детекторов излучения Цель работы: Изучение принципов работы и особенностей использования в устройствах оптоинформатики приемников оптического излучения на основе p-n и p-i-n диодов.

Исследование частотных характеристик p-n диода при различных режимах работы

Передача информации Для передачи световой информации широко используются устройства, получившие название световодов. Из этого многообразия устройств выделяются два типа: одножильный световод, называемый оптическим волокном (оптоволокном), представляющий собой тонкую сердцевину (от нескольких микрон до сотен микрон) и окружающую ее оболочку и многожильные световоды, представляющие собой "спеченое" в один жгут множество одножильных световодов - волокон или пучков световодов. Световые жгуты могут содержать десятки тысяч волокон.

Лабораторная работа №1

Исследование основных параметров полупроводникового лазера

Цель работы: Изучение принципов работы полупроводникового лазера и измерение его основных параметров.

Объект исследования: Лазерный модуль KLM-650 на основе полупроводникового инжекционного лазера.

Задачи, решаемые в работе:

Ознакомиться с принципом работы и конструкционными особенностями полупроводниковых лазеров.

Измерить зависимость интенсивности излучения полупроводникового лазерного модуля от величины тока, протекающего через p-n переход.

Исследовать степень поляризации излучения лазерного модуля в зависимости от тока, протекающего через p-n переход.

Проанализировать изменение параметров излучения при работе лазерного модуля в режиме светоизлучающего диода и режиме лазерной генерации.

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Полупроводниковый лазер – лазер, активной средой которого является полупроводниковый кристалл, а точнее, область p-n перехода.

В полупроводниковой активной среде можно достигнуть большого оптического усиления, что обуславливает возможность использования активных элементов малых размеров (длина резонатора 50 мкм – 1 мм) и обеспечивает компактность таких лазеров. Помимо компактности, полупроводниковые лазеры обладают высоким кпд (до 50%). А большой выбор современных полупроводниковых материалов обеспечивает генерацию в широком спектральном диапазоне (от 0,3мкм до 30 мкм). Эти качества обеспечили полупроводниковым лазерам широкое применение в различных областях современной деятельности человека.

Для работы лазера любого типа необходимо выполнение следующих основных требований: 1) создание инверсной заселённости на одном из оптических переходов; 2) превышение усиления над потерями; 3) наличие резонатора для обеспечения положительной обратной связи.

В отличие от лазеров других типов, в полупроводниковых лазерах используются излучательные квантовые переходы между разрешёнными энергетическими зонами, а не между дискретными уровнями энергии. Инверсная населённость создаётся с помощью инжекции через p-n переход неравновесных носителей тока, путём приложения внешнего напряжения в прямом направлении. Дело в том, что распределение электронов по возможным энергетическим уровням в полупроводниках зависит от концентрации примеси и температуры кристалла. При этом для каждой температуры существует вполне определённое распределение электронов по энергетическим состояниям. При изменении температуры через некоторое время устанавливается равновесие электронов и атомов и происходит новое распределение электронов по энергетическим уровням. При этом часть электронов может обладать энергией, достаточной, чтобы перейти в зону проводимости и стать свободными носителями тока. Эти свободные носители, существующие при тепловом равновесии, называются равновесными носителями тока. Если возбуждение электронов происходит не в результате теплового воздействия, а за счёт других процессов, например, путём освещения полупроводника или путём приложения электрического поля, то в течение относительно длительного времени электроны могут обладать температурой, большей, чем температура атомов, что приводит к увеличению электропроводности, и такие электроны (и дырки) называются неравновесными носителями тока. Наряду с генерацией неравновесных носителей существует обратный процесс – рекомбинация электронов и дырок – переход электронов из зоны проводимости в валентную зону, в результате чего происходит исчезновение электронов и дырок. Рекомбинация может сопровождаться излучением фотонов, что и лежит в основе работы полупроводниковых лазеров.

На рис.1. (см. «Введение») представлено положение уровня Ферми в собственном и примесном полупроводниках. Одно из важных свойств уровня Ферми заключается в том, что в системе, состоящей из полупроводников n- и p-типа и если к ним не приложено напряжение, уровни Ферми (Fn и Fp) у них выравниваются (рис.1.а). А если они находятся под разными потенциалами, то уровни Ферми в них сдвигаются на величину разности потенциалов (рис.1.б).

Рис.1.Энергетическая диаграмма инжекционного полупроводникового лазера: p-n переход без приложенного внешнего напряжения (а); p-n переход при приложении внешнего напряжения в прямом направлении (б). d - ширина p-n перехода, l - реальная ширина области, обеспечивающей работу лазера.

В этом случае в зоне p-n перехода создаётся инверсная заселённость и электроны совершают переход из зоны проводимости в валентную зону (рекомбинируют с дырками). При этом испускаются фотоны с энергией h.hw.энергией фотоны По такому принципу работает светодиод. Если для этих фотонов создать обратную положительную связь в виде оптического резонатора, то в области p-n перехода при больших значениях внешнего приложенного напряжения можно получить лазерную генерацию. При этомбинируют с с дырками).д из зоны проводимости в зонуних сдвигаются на величину разности потенциалова, уровень Фетми один и тот же. ме, состоящей из нескоьлекторонов в валентной зоне) и малых значениях внешнего приложенного напряжения процесс образования и рекомбинации неравновесных носителей происходит хаотично и излучение обладает малой мощностью и является некогерентным и немонохроматическим. Это соответствует светодиодному режиму работы полупроводникового излучателя. При увеличении тока выше порогового значения излучение становится когерентным, его спектральная ширина сильно сужается, а интенсивность резко возрастает – начинается лазерный режим работы полупроводникового излучателя. При этом также увеличивается степень линейной поляризации генерируемого излучения.

На рис.2 схематично представлена конструкция полупроводникового лазера и распределение интенсивности выходного излучения. Как правило, в таком лазере резонатор создаётся полировкой двух диаметрально противоположных сторон кристалла, перпендикулярных плоскости p-n перехода. Эти плоскости делаются параллельными и полируются с высокой степенью точности. Выходную поверхность можно рассматривать как щель, через которое проходит излучение. Угловая расходимость излучения лазера определяется дифракцией излучения на этой щели. При толщине p-n перехода в 20 мкм и ширине – 120 мкм, угловая расходимость соответствует приблизительно 60 в плоскости XZ и 10 – в плоскости YZ.

Рис.2.Принципиальная схема лазера на p-n переходе. 1-область p-n перехода (активный слой); 2-сечение лазерного пучка в плоскости ХY.

В современных полупроводниковых лазерах широко используются так называемые полупроводниковые гетероструктуры, в разработку которых значительный вклад внес академик РАН Ж. И. Алферов (Нобелевская премия 2000 года). Лазеры на основе гетероструктур обладают лучшими характеристиками, например, большей выходной мощностью и меньшей расходимостью. Пример двойной гетероструктуры приведен на рис.3, а её энергетическая схема – на рис. 4.

Рис.3.Полупроводниковая двойная гетероструктура. 1-проводящий металлизированный слой для создания электрического контакта; 2-слой GaAs (n); 3-слой Al0.3Ga0.7As (n); 4-слой, соответствующий зоне инжекции носителей заряда (p-n-переход); 5-слой Al0.3Ga0.7As (p); 6-слой GaAs (p); 7-непроводящий слой оксида металла для ограничения тока через p-n-переход, формирующий зону генерации излучения; 8,9-прилегающие слои для создания электрического контакта; 10-подложка с теплоотводом.

Рис.4.Энергетическая схема двойной гетероструктуры, ось Y и номера слоёв соответствуют рис.3. ΔЕgc-ширина запрещённой зоны; ΔЕgv-ширина запрещённой зоны p-n-перехода.

В данной лабораторной работе исследуется зависимость интенсивности выходного излучения полупроводникового лазера, а также степень линейной поляризации от величины тока, протекающего через p-n переход.

Схема прецизионного выпрямителя

Нелинейность прямой ветви ВАХ диода делает неточным выпрямление малых переменных сигналов, т.к. реальный диод перестает проводить ток при напряжениях в прямом направлении, менее примерно 0,6 В. ОУ позволяет построить прецизионный выпрямитель, который будет точно выполнять операцию выпрямления малых по величине переменных напряжений. Схема прецизионного выпрямителя показана на рис.

 


Здесь диод VD1 выполняет функцию однополупериодного выпрямления, напряжение на выходе ОУ DA1 – это инвертированное входное положительное напряжение, которое равно напряжению на резисторе R2 (напряжение на VD1 не участвует в формировании выходного напряжения). При отрицательном входном

напряжении напряжение на выходе ОУ DA1 равно положительному падению на диоде VD2, которое является обратным напряжением для диода VD1 и не проходит на выходную нагрузку. 


На главную