Лабораторные работы по физике

Задачи по электротехнике, физике
Расчет выпрямителей, работающих на нагрузку
с индуктивной реакцией
Рассчитать параметрический стабилизатор напряжения
ПРИНЦИП РАБОТЫ ВЫПРЯМИТЕЛЯ
Двухполупериодный мостовой выпрямитель
СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ
ПРИМЕР РАСЧЕТА
ГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА СТАБИЛИЗАТОРА
Схема стабилизатора со сглаживающим фильтром.
Лабораторная работа
ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
ФОТОПРИЁМНИКИ
ИЗУЧАЕМАЯ ЛИНИЯ СВЯЗИ
ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОЛОКОННЫХ
СВЕТОВОДОВ
Практическая часть работы
РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРОВ МАЛОЙ МОЩНОСТИ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ  ТОКА ХОЛОСТОГО ХОДА
Конструктивный расчет обмоток
 

ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

В волоконно-оптических системах связи применяются источники излучения двух видов: светоизлучающие диоды (СИД) и лазерные диоды (ЛД) – полупроводниковые лазеры. Как в СИД так и в ЛД генерация света обусловлена рекомбинацией электронов и дырок, результатом которой является образование фотонов.

СИД и ЛД изготавливаются из полупроводниковых материалов типа АIII В (арсениды и фосфиды галлия, индия и алюминия). В СИД используется спонтанное, а в ЛД вынужденное излучение при рекомбинации электронов и дырок, инжектируемых в область p-n-перехода. Путём изменения тока инжекции можно менять интенсивность света на выходе прибора, т.е. простыми средствами осуществлять оптическую модуляцию (прямая модуляция), что является одной из главных причин использования СИД и ЛД в системах связи.

Длина волны света, излучаемого СИД и ЛД, зависит от ширины запрещённой зоны полупроводника. Для GaAs λ » 900нм. При добавлении к GaAs примеси алюминия λ уменьшается и может составить 780нм.

Для получения света с λ » 1,3мкм используют материалы InP, GaInAsP.

В СИД часто применяется структура с гомопереходами, что упрощает конструкцию и снижает стоимость, в ЛД обычно используется двойная гетероструктура, что снижает пороговые токи генерации и облегчает тепловой режим диода.

3.1 Двойные гетеропереходы

Двойная гетероструктура широко применяется в источниках света для систем связи. На рисунке 3 показаны энергетические уровни P-n-N двойной гетероструктуры, полученной путём добавления к гетероструктуре n-N ещё одной области P с широкой запрещённой зоной.


а – энергетическая диаграмма; б – распределение показателя преломления n по слоям структуры

Рисунок 3 – Упрощённая зонная диаграмма уровней энергии электронов

двойной гетероструктуры при прямом смещении.

Отличительной особенностью двойного гетероперехода является не только односторонняя инжекция электронов, но и односторонняя инжекция дырок, обусловленные потенциальными барьерами ΔЕп и ΔЕв , возникающими из-за скачка потенциалов на границах разделов. Поэтому при приложении к двойной гетероструктуре прямого смещения, т. е. при пропускании через него тока – электроны и дырки проникаютв активную область 1 из прилегающих пассивных областей 2 и 3. В области 1, вследствие локализации носителей, устанавливается более высокая и однородная их концентрация и более высокая скорость рекомбинации, сопровождающаяся излучением света.

Светоизлучающий диод

В СИД излучение выводится наружу обычно в направлении, перпендикулярном плоскости электронно-дырочного перехода (рисунок 4).

В подложке прибора вытравлено углубление, куда вставляется оптическое волокно, для того, чтобы уменьшить толщину поглощающего слоя полупроводника, через который должно пройти генерируемое в активном слое излучение. Для повышения эффективности ввода излучения в волокно в углубление может быть помещена сферическая микролинза (рисунок 4, б). Применяются также СИД с выводом излучения параллельно поверхности p-n перехода через боковую грань прибора. Это уменьшает размеры сечения пучка и повышает эффективность ввода света в волокно. Следует отметить, что СИД не очень чувствительны к перегрузкам, обладают хорошей линейной зависимостью между выходной мощностью излучения и током инжекции (рисунок 5).

Спектр излучения СИД представляет собой гладкую кривую (рисунок 6); ширина спектра относительно велика (50–100нм), типичный ток инжекции 100–200мА, выходная мощность 1–5мВт.


 

Рисунок 5 – Зависимость выходной мощности от тока инжекции для СИД двух типов

 

 

 

Рисунок 6 – Спектры излучения СИД

 

Лазерные диоды позволяют получить излучение более высокого качества и обеспечить лучшую эффективность ввода его в световод.

В СИД объём области, в которой происходит излучательная рекомбинация, относительно велик (десятки тысяч кубических микрометров). В ЛД активная зона во много раз меньше: поперечное сечение 0,5–2мкм2 при протяженности 300–500мкм. Поэтому концентрация инжектированных носителей велика, что обеспечивает возникновение стимулированного излучения.

1 – металлизированный слой

2 – GaAs р+-типа

3 – AlGaAs P-типа

4 – GaAs р-типа(активный слой)

5 – AlGaAs N-типа

6 – подложка GaAs n+-типа

7 – конус распространения излучения

8 – оптическое волокно

Рисунок 7 – Типичная структура ЛД

Типичная структура ЛД показана на рисунке 7. Активная зона GaAs р-типа заключена между двумя горизонтально расположенными слоями AlGaAs, показатель преломления для которых ниже, чем для GaAs. То есть активная зона приобретает свойства ступенчатого световода, торцы которого ограничены с обеих сторон зеркальными гранями, получающимися при сколе кристалла (оптический резонатор). Чтобы в активной области обеспечить высокую концентрацию носителей, заштрихованные на рисунке 7 участки объёма делают плохопроводящими с помощью бомбардировки их протонами.

При токе инжекции, превышающем пороговый Iп, вдоль активного слоя возникает генерация стимулированного излучения. До этого тока существует только слабое спонтанное излучение – большая часть его поглощается в толще ЛД, так как оно не носит направленный характер. Поэтому типичная зависимость выходного излучения в ЛД от тока, в отличие от СИД, носит пороговый характер (рисунок 8). Пороговый ток обычно составляет 50–150мА.

Расходимость выходного излучения в ЛД значительно меньше, чем в СИД, но по сравнению с другими типами лазеров она сравнительно велика. Сечение пучка получается эллиптическим с максимальной расходимостью в направлении, перпендикулярном к p-n-переходу в 30–600, а вдоль перехода – 20–400.

В обычном ЛД генерируется одновременно несколько мод (рисунок 9): 10–20 на λ = 0,85мкм и 5–6 мод на λ = 1,3мкм. Спектральная ширина каждой моды примерно 0,2нм (80ТГц) при общей ширине полосы 1,2ГГц.

Рисунок 9 – Спектры излучения многомодовых лазерных диодов

Однако, используя специальные конструкции ЛД с селективными и со связанными отражателями (рисунок 10), можно выделить одну моду, обеспечив таким образом одночастотный монохроматический режим работы лазера.

1 – решетка; 2 – активная область; 3 – внешний световод; 4 – оптический вывод; 5 – активный слой; 6 – скрытый слой; 7 – световодный слой; 8 – резонатор 1; 9 – резонатор 2

Рисунок 10 – Типы одномодовых лазеров

Селективное отражение определенной длины волны можно достигнуть в конструкции (рисунок 10, а), где по обеим сторонам активной области формируется гофрированный слой с избирательным коэффициентом отражения в зависимости от λ – лазер с распределенными брэгговскими зеркалами (РБЗ-лазер), либо гофр может быть нанесен на саму активную область (рисунок 10, б) – распределенная обратная связь (РОС-лазер). В конструкции, показанной на рисунке 10, в, соединены два лазерных резонатора различной длины (С3-лазер). Здесь генерация возникает только на той длине волны, которая образует собственную моду и для одного и для другого резонатора. Одномодовые лазеры обеспечивают наибольшую пропускную способность ВОЛС.

Рассчитать параметрический стабилизатор напряжения