Лабораторная работа № 1.

Общая характеристика установки.

На базе данной установки могут быть выполнены следующие лабораторные работы.

1.Исследование ватт-амперных характеристик лазерного диода (ЛД) и светоизлучающего диода (СИД).

2.Исследрование поляризационных свойств лазерного диода.

3.Исследование зависимости степени когерентности лазерного диода от тока накачки.

4.Качественное исследование эффекта скремблирования мод, распространяющихся в волоконных световодах.

Выполнение перечисленных выше лабораторных работ позволяет:

-изучить зависимость излученной полупроводниковым оптическим источником мощности от тока накачки (тока, протекающего через pn переход). Ниже эта зависимость называется ватт-амперной характеристикой;

-изучить особенности ватт-амперных характеристик ЛД и СИД;

-изучить зависимость коэффициента поляризации излучения ЛД от тока накачки;

_ -изучить зависимость степени когерентности излучения ЛД от тока накачки по анализу распределения интенсивности в поперечном сечении волоконных световодов, возбуждаемых ЛД;

-определить причину появления модовых шумов в волоконно-оптической линии связи;

-исследовать модовый состав волоконных световодов по распределению интенсивности в их поперечном сечении;

-экспериментально определить числовую апертуру волоконных световодов.

 

ТЕОРИЯ МЕТОДА.

В современных ВОЛС в качестве источников света используются полупроводниковые (ПП) источники излучения - светоизлучающие диоды (СИД) и лазерные диоды (ЛД). Технология производства и химический состав материалов, из которых они изготовлены, определяют основные характеристики:

-длину волны излучения l (мкм);

-оптическую мощность Р (Вт);

-степень когерентности оптического излучения;

-коэффициент поляризации оптического излучения q;

-ширину спектра оптического излучения Dl (мкм) и его состав;

-угловую расходимость (ширину диаграммы направленности) в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Физический смысл всех этих характеристик будет пояснен ниже.

Основой для любого ПП излучателя является область контакта двух материалов с различными типами проводимости. В простейшем случае - это обычный pn - переход, который образован за счет введения донорных и акцепторных примесей в исходный материал подложки.

Любой ПП материал принято характеризовать энергетической диаграммой (рис.1), на которой указываются уровни соответствующие:

-нижней границе зоны проводимости Е_п;

-верхней границе валентной зоны Е_в;

-уровню Ферми Е_f, вероятность заполнения которого равна 0,5.

Параметром материала является также ширина запрещенной зоны:

Е _g = Е_п - Е_в.

Из дальнейшего изложения будет ясно, что излучение формируется за счет перехода электронов с энергетических уровней, находящихся вблизи нижнего края зоны проводимости на уровни у верхнего края валентной зоны. Высвобождающаяся при этом энергия Е_ф обеспечивает рождение фотона. Длина волны l, соответствующая этому фотону, определяется соотношением:

l = 1.24 / Е_ф.

В этой формуле длина волны выражена в микрометрах, а энергия - в электрон-вольтах. Ясно, что Е_ф ³ Е _g, поэтому для обеспечения генерации излучения в требуемом спектральном диапазоне длин волн необходимо подбирать материалы с соответствующей шириной запрещенной зоны. Это обеспечивается выбором их химического состава.

Для обеспечения генерации в области первого окна прозрачности волоконного световода (l = (0.8 - 0.9) мкм) используют соединения на основе арсенида галлия (GaAs), а для следующих окон прозрачности (l = 1.3 мкм и l = 1.5 мкм) соединения на основе фосфида индия (InP).

На рис.1, наряду с энергетическими диаграммами, приведены численные значения концентрации электронов n (1/м³) и дырок p (1/м³) в материалах с различными типами проводимостей.

В исходном состоянии возможны переходы электронов из зоны проводимости в валентную зону с излучением фотона (рекомбинация - электрон поглощает дырку, занимая свободное место в валентной зоне). Но их интенсивность (количество актов рекомбинаций в единицу времени) мала, поэтому излучение практически отсутствует. Причиной этого в полупроводнике i- типаявляются малые значения концентраций электронов и дырок. В полупроводниках n и p типа концентрация основных носителей (электронов и дырок соответственно) на несколько порядков выше. Но количество не основных носителей остается малым (рис.1).

Простейшая физическая модель, поясняющая принцип работы ПП источника излучения, представляет собой обычный pn гомопереход, образованный двумя материалами с одинаковой шириной запрещенной зоны Е _g. Этот переход смещен в прямом направлении за счет подачи на него положительного напряжения. На рис.2 показана его энергетическая диаграмма и отмечена полярность напряжения, обеспечивающего его прямое смещение. Пунктирные линии на рис.2 соответствуют энергетическим уровням несмещенного перехода.

При отсутствии напряжения, приложенного к переходу, в области контакта двух ПП возникает разность потенциалов U_д, которая препятствует проникновению в материалы n и p типа неосновных носителей (дырок и электронов соответственно). На рис.2 показан график зависимости концентрации электронов и дырок от пространственной координаты х, направленной поперек перехода. Здесь также пунктирные кривые соответствуют несмещенному переходу. На графиках отмечены невозмущенные значения концентраций:

- n _n+, p _p - концентрации основных носителей в ПП n и p типа соответственно. Индекс (+) используется для того, чтобы подчеркнуть неравенство концентраций n _n+> p _p - на практике всегда один из проводников легирован сильнее;

- p _n, n _p - значения концентраций не основных носителей в ПП n и p типа соответственно.

Положительное смещение U приложенное к переходу снижает потенциальный барьер и в результате через переход протекает ток за счет инжекции не основных носителей (дырки - в ПП n - типа, электроны - в ПП p - типа). В окрестности перехода происходит резкое уменьшение концентрации основных носителей в контактирующих материалах (рис.2), поэтому в теории полупроводников эта область называется обедненным слоем. С другой стороны количество электронов и дырок здесь достаточно велико для того, чтобы за счет их рекомбинации возникло значительное излучение.

Очевидно, что интенсивность излучения напрямую связана с величинами концентраций носителей в обедненном слое и увеличивается при их одновременном росте. Это достигается за счет увеличения тока, протекающего через переход. Таким образом, энергия внешнего источника, обеспечивающего протекание тока, преобразуется в энергию излучаемых фотонов. Этот ток принято называть током накачки (I_н).

Для оптимизации процесса генерации в источниках, реализованных на практике, при изготовлении перехода добиваются, чтобы концентрация основных носителей в одном из полупроводников была бы существенно выше, чем в другом. Этот факт уже упоминался при анализе графиков, приведенных на рис.2. Типичные значения величин следующие:

n _n+ =10 ²⁴ (1/ м³ ); p _p =10 ²² (1/ м³ )

Обычно разница в величинах n _n+ и p _p столь велика, что для практических расчетов можно считать, что ток накачки в основном обусловлен инжекцией электронов в ПП p типа. Инжекция дырок в сильнолегированный ПП n типа может привести к появлению большого числа не основных носителей (дырок) вне обедненного слоя (рис 2). Они будут рекомбинировать с электронами, не обеспечивая при этом заметного вклада в суммарное излучение. В результате количество инжектируемых в обедненный слой электронов сокращается и интенсивность излучения уменьшается.

Качество источника, характеризующее долю тока накачки, которая используется на создание излучения, принято характеризовать параметром h_инж , который носит название "эффективность инжекции". Для данного случая он определится отношением электронного тока через переход к полному току (электронному и дырочному). В реальных устройствах стремятся приблизить значение h_инж к единице, для чего используются специальные технологические приемы, которые будут рассмотрены ниже.

Электроны, инжектированные в обедненный слой, рекомбинируют с дырками. Но не каждый акт рекомбинации приводит к рождению фотона. Наряду с излучательными переходами электронов из зоны проводимости в валентную зону происходят и безизлучательные, при которых высвобождающаяся энергия тратится, например, на создание колебаний кристаллической решетки. В конечном итоге все безизлучательные переходы ведут к повышению температуры обедненного слоя. Эффективность использования инжектированных в обедненный слой электронов характеризуется параметром h_эф, который носит название "внутренняя квантовая эффективность". Он определяется отношением количества фотонов, рожденных в единицу времени, к количеству актов рекомбинации за этот же временной промежуток.

Ясно, что и этот параметр необходимо стремиться сделать близким по величине к единице. Детальный анализ процессов, происходящих в ПП излучателях, показывает, что, как и эффективность инжекции, h_эф увеличивается за счет роста тока накачки.

Важным моментом при разработке конструкции ПП источника является обеспечение условий оптимального вывода созданного излучения в свободное пространство. Если источник используется в оптической линии передачи, то необходимо предусмотреть элементы обеспечивающие его согласование со входным торцом волоконного световода. На рис.3 приведены два возможных варианта топологической схемы поперечного сечения излучателей.

В первом варианте (рис.3.а) родившиеся в результате рекомбинации носителей в обедненном слое фотоны покидают его, распространяясь в поперечном направлении. Прежде чем дойти до поверхности излучателя, фотоны испытывают значительное поглощение в материале полупроводника. Кроме того, они испытывают значительное отражение от поверхности раздела ПП - внешняя среда. По такой технологии изготавливаются самые простейшие излучатели, которые используются в устройствах, где не требуется большая оптическая мощность.

На рис. 3.б показана упрощенная топологическая схема излучателя с осевым излучением. В ней за счет специальных технологических приемов обеспечивается распространение рождающихся фотонов (или оптической волны в волновой трактовке явлений, происходящих в излучателе) вдоль обедненного слоя. Для оптической волны он представляет собой отрезок диэлектрического волновода, поскольку обедненный слой обладает более высоким значением диэлектрической проницаемости по сравнению с окружающими его материалами. Поэтому на границах его выполняются условия полного внутреннего отражения. Потери на отражение от границы раздела ПП - внешняя среда и на распространение до нее в материале излучателя в этом случае существенно меньше.

На рис. 3 показаны характерные размеры поперечного сечения излучающих площадок рассмотренных излучателей. В первом случае у источника с поперечным излучением размеры площадки соизмеримы с размерами поперечного сечения многомодового волокна. Источник с осевым излучением может работать как с одномодовым так и с многомодовым волокном, поскольку размеры его излучающей площадки могут меняться в широких пределах за счет использования различных технологических приемов.

При анализе характеристик источника необходимо учитывать два различных варианта генерации фотонов. Если число актов излучательной рекомбинации, совпадающее с числом рожденных фотонов, невелико, то каждый из них происходит самостоятельно. Сформированное таким образом излучение называется спонтанным. С квантово-механической точки зрения ему следует сопоставить поток фотонов, различающихся энергией и импульсом.

Это объясняется тем, что инжектированные в обедненный слой электроны и дырки занимают различные энергетические уровни у краев валентной зоны и зоны проводимости. На рис. 4.а показано распределение их концентраций, совмещенное с энергетической диаграммой, характерное для одной из областей, находящейся полностью внутри обедненного слоя. На рис. 4.б показан спектральный состав такого излучения - зависимость спектральной плотности мощности S(l) от длины волны. Величина S(l) характеризует долю излученной мощности, приходящейся на заданную длину волны. Ширина спектра излучения определяется по уменьшению S(l) в два раза

Источник, в котором преобладает спонтанное излучение, принято называть светоизлучающим диодом (СИД). Для него ширина спектра составляет обычно величину:

Dl = (30 -50) нм.

Сформированное с помощью СИД излучение является немонохроматичным, что необходимо учитывать при использовании его в реальных схемах.

Еще одной особенностью такого источника является его некогерентность. Физический смысл этого понятия будет пояснен ниже при анализе работы лазерного диода. Кроме того, излучение СИД неполяризовано. Все эти обстоятельства обуславливают использование его в системах связи только совместно с многомодовым волокном.

При использовании любого ПП источника в составе аппаратуры волоконно-оптической системы связи необходимо предварительное исследование его ватт-амперной характеристики. Она устанавливает связь между излученной оптической мощностью Р и током накачки I_н. Ее качественный вид для СИД показан на рис.5. Следует отметить ее линейность, обуславливающую широкое применение такого источника в реальных линиях связи с аналоговыми методами модуляции.

Иной механизм излучения фотонов связан с их кванотово-механической природой. Особенность поведения этих частиц состоит в следующем. Вероятность излучательной рекомбинации электрона и дырки и появления фотона с энергией Е_ф в некоторой области ПП тем выше, чем большее количество частиц с такой же энергией уже существует в окрестности этой точки. Акт рекомбинации совершается под воздействием уже имеющихся фотонов. Таким образом формируется индуцированное излучение.

Все излученные фотоны в этом случае будут иметь одинаковую энергию и импульс. Можно считать, что таким образом происходит выстраивание частиц друг за другом в цепочку. С волновой точки зрения они образуют отрезок оптической волны, который существует на конечном интервале времени t_к. В пределах этого интервала ее можно считать "почти" монохроматической, поскольку определены и неизменны во времени (в течение этого интервала) амплитуда, частота и фаза.

Значение t_к определяет время когерентности источника излучения и является одним из основных его параметров. С ним связано понятие о длине когерентности l _k, которая определяется как расстояние, которое проходит сформированный отрезок "почти" монохроматической волны за время когерентности:

l _k = t_к •с; с = 3 • 10 ⁸ м/сек - скорость света.

Физический смысл этих понятий можно пояснить, анализируя эксперимент, схема которого показана на рис.6.

Излучение от источника попадает на светоделитель СД1 и далее поступает на экран Э по двум путям:

-прямой путь длиной l ₁: СД1 - СД2 - Э;

-ломанный путь длиной l ₂: СД1 - зеркало З1 - З2 - СД2- Э.

На экране будет наблюдаться результат сложения двух потоков фотонов - суммарная интенсивность I, которая в общем случае будет меняться вдоль направления x (рис.7).

Если разность путей D l = l ₂ - l ₁ < l _k, то на экране будет наблюдаться ярко выраженная интерференционная картина, представляющая собой чередование светлых и темных областей. Контраст g этой картины определяется максимальными I _max и минимальными I _min значениями суммарной интенсивности (рис. 7.а):

g = (I _max - I _min) / (I _max + I _mim) @ 1.

 

Лабораторная работа № 1.

«Сравнительное исследование ватт-амперных характеристик лазерного и светоизлучающего диодов ».

 

Цель работы:

-экспериментальное измерение ватт-амперной характеристики лазерного диода;

-экспериментальное определение тока накачки, соответствующего началу генерации оптического излучения и попрогового тока лазерного диода;

-экспериментальное измерение ватт-амперной характеристики светоизлучающего диода;

-сравнение ватт-амперных характеристик лазерного диода и светоизлучающего диода;

-исследование зависимости чувствительности ФД и темнового тока I_т от напряжения смешения U_фд (дополнительное задание, проводится по указанию преподавателя);

-измерение зависимости темнового тока I_т ФД от напряжения смешения U_см (дополнительное задание, проводится по указанию преподавателя).