Wykład 22: ? …czyli uzupełnienialayer.uci.agh.edu.pl/~szkla/C-22.pdf · Tranzystory polowe, diody tunelowe, diody Gunna, diody IMPATT, masery. Radarowy miernik szybkości z diodą
Post on 22-Oct-2020
2 Views
Preview:
Transcript
Wykład 22: ? …czyli uzupełnienia
Dr inż. Zbigniew Szklarski
Katedra Elektroniki, paw. C-1, pok.321
szkla@agh.edu.pl
http://layer.uci.agh.edu.pl/Z.Szklarski/
mailto:szkla@agh.edu.plhttp://layer.uci.agh.edu.pl/Z.Szklarski/
Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
Fala elektromagnetyczna -uzupełnienia
10.06.2020 2
Mikrofale
Popularnie:
3 mm – 0,3 m
Przewidziane przez
J.C.Maxwella, odkryte przez H.Hertza (1886), szersze badania –dopiero XX w – radary.
Zastosowanie:Radary (militarne, meteo, antykolizyjne), łączność radio-liniowa punkt-punkt (b.słabadyfrakcja), radioastronomia, nawigacja, energetyka, kuchenki mikrofalowe.10.06.2020 3Wydział Informatyki, Elektroniki i
Telekomunikacji - Elektronika
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
4
Źródła mikrofal wykorzystują ruch balistyczny elektronów w próżni pod wpływem pól elektrycznych i magnetycznych. Są to np. magnetrony (stosowane w kuchenkach mikrofalowych), czy klistrony (wąskopasmowa lampę mikrofalowa).
400 kW klistron
Emisja mikrofal.
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
5
Zasada działania magnetronu
Tor elektronów jest zakrzywiany polem magnetycznym.Gdy elektrony omiatająte szczeliny, indukują pole radiowe wysokiej częstotliwości w każdej wnęce rezonansowej.
Prądy oscylacyjne przepływające wokół wnęk powodują powstawanie dużych ilości energii mikrofalowej o częstotliwości radiowej we wnękach. Wnęki są otwarte na jednym końcu, więc cały mechanizm tworzy pojedynczy, większy oscylator mikrofalowy.
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
6
Część energii o częstotliwości radiowej jestwydobywana przez krótką antenę, która jestpodłączona do falowodu (metalowa rura, zwykle oprzekroju prostokątnym). Falowód kierujewydobytą energię RF do obszaru, którym możebyć komora gotowania w kuchence mikrofalowejlub antena w przypadku radaru.
Źródła mikrofalowe małej mocy
Tranzystory polowe, diody tunelowe, diody Gunna, diody IMPATT, masery.
Radarowy miernik szybkości z diodą Gunna
„Dioda” Gunna (GaAs ) składa się z dwóch bardzo silnie domieszkowanych obszarów typu „n” i cienkiego obszaru między nimi o niskiej koncentracji domieszek.
Gdy natężenie pola elektrycznego w osiągnie wartość krytyczną na elek-trodzie ujemnej, wtedy tworzony jest obszar z niską ruchliwością elektronów - o ujemnej rezystancji: wzrost U spadek I.
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
7
Po dotarciu tego obszaru do elektrody
dodatniej, proces kolejnego tworzenia się
obszaru o małej ruchliwości elektronów
następuje cyklicznie, dzięki czemu są
wytwarzane drgania, których częstotli-
wość może dochodzić do 100 GHz.
Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation
W maserze gazowym gaz podgrzewany jest do wysokiej temperatury. Cząsteczki w procesie wzbudzania uzyskują różne wartości energii. Konieczne jest odseparowanie cząstek wzbudzonych od tych w stanie podstawowym. W silnym, zmiennym polu elektrostatycznym cząsteczki w stanie podstawowym są odchylane, a te wzbudzone przemieszczają sięokresowo w kierunku rezonatora dostrojonego do częstotliwości 24 GHz.
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
8
W rezonatorze następuje emisja fotonów i przejście do stanu podstawowego NH3 i inicjując proces emisji samopodtrzymującego się promieniowania mikrofalowego.
Niektóre zastosowania mikrofal
➢ Pomiar prędkości (f = 24,125 GHz; 12,5 mm; zasięg max.ok. 800 m).➢ Broń mikrofalowa (f = 94 GHz; 3 mm; zasięg ok. 500 m).➢ Kuchenka mikrofalowa (f = 2,45 GHz; 12,2 cm; wnikanie ok. 2,5 cm).
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
9
1933 r.Westinghouse na Wystawie Światowej w Chicago. (60 MHz, 10 kW)
Komercyjna z lat`60 1,6 kW, 1,7 m wys., cena ówczesna 3 000$ (odpowiada ok. 20 000$ w 2019)
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
10
/2 = 2,5·2.54 cmf = 2,45 GHz
V = f· = 2,45·12,7·107 m/s=3,11·108 m/s c
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
11
Falowódkanał do prowadzenia w przestrzeni fal mechanicznych lubelektromagnetycznych wzdłuż określonej drogi.
- akustyczny: mniejsze tłumienie, możliwa koncentracja energii gdy przekrój maleje. Istnieją naturalne falowody np. w oceanach – propagacja fal o małych częstotliwościach na setki kilometrów.
- fal elektromagnetycznych – gdy poprzeczne rozmiary falowodu - zamknięte – rury, - otwarte – przewód metalowy, pręt/rurka z dielektryka- dla dużych częstotliwości (radar, niskie radiowe/mikrofale) – metalowe
rury- dla wysokich częstotliwości radiowych – falowody dielektryczne- dla fal świetlnych – włókna światłowodowe.
Światłowód
1842 – D. Colladon
– „light pipe”
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
12
1930 – pierwsza próba wykorzystania światłowodu do badań medycznych, ale dopiero w 1956 –pierwszy gastroskop.
1970 –zmniejszono tłumienie do 20 db/km, a 1977 – pierwszy światłowód telekomunikacyjny dł. 9 km w Turynie.W Polsce – wytworzono pierwszy kabel światło-wodowy w 1978r.
Szybkość przesyłu danych: 2013r. – 1,05 Pbit/s (1015 !)Najdłuższy światłowód – 39 000 km Europa-Azja-Australia.W Polsce największa sieć – Orange – o długości ponad 100 tys. km.
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
13
Zasada działania:Modulowana wiązka z lasera rozchodzi się wewnątrz włókna – szklanego, plastikowego lub półprzewodnikowego w sposób zależny od średnicy włókna:➢ średnica większa od długości światła (powyżej 50 m – współczynnik załamania
światłowodu jest większy niż osłony bieg prostoliniowy wiązki tzw. światłowód wielomodowy – MMF (skokowy)
➢ jw. ale współczynnik załamania rdzenia o budowie warstwowej zmienia się w sposób ciągły (największy na osi), co powoduje krzywoliniowy bieg światła –światłowód gradientowy (też wielomodowy)
➢ średnica porównywalna lub mniejsza od długości światła (810 m) – światło rozchodzi się jak fala rozchodząca się prawie równolegle do osi światłowodu –jednomodowego – SMF.
Mod fali - określona długość wzbudzanej fali, gdy
rezonator pobudzany jest do drgań przez fale z
pewnego zakresu długości.
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
14
W światłowodzie wielomodowym fala o
takiej samej długości fali może
rozchodzić się wieloma drogami,
zwanymi modami.
Różna prędkość modów w falowodzie
rozmycie paczki falowej –
zniekształcenie i ograniczenie
szybkości transmisji.
Rozchodzenie się światła w światłowodzie
jednomodowym opisują równania Maxwell’a
a nie prawa optyki geometrycznej.
Światłowody te stosowane są w dalekosiężnej telekomunikacji, bo do 100
km sygnał nie musi być regenerowany. Tłumienie w światłowodzie ze szkła
Corning dla = 1500 nm jest rzędu 0,17 dB/km.
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
15
Ograniczenia transmisji światłowodowej:
• rozproszenie światła – fluktuacje gęstości rdzenia;
• uszkodzenia – mikro i makrozgięcia
• dyspersja (tzn. n zależy od f) – rozmycie impulsu
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
16
Kwantowe wzmacniacze promieniowania elektromagnetycznego przy pomocy wymuszonej emisji promieniowania: -mikrofalowego – MASERy-światła - LASERy
…Amplification by StimulatedEmission of Radiation
• Oddziaływania fotonów z atomami.
Podstawą działania tych wzmacniaczy kwantowych jest emisja kwantów promieniowania poprzez elektrony wzbudzonych atomów. Emitowane promieniowanie jest monochromatyczne, zgodne w fazie (spójne) a wiązka promieniowania jest bardzo mało rozbieżna. Zapewniona jest również duża gęstość energii.
Układy atomowe znajdują się w określonych stanach kwantowych, charakteryzujących się dyskretnymi wartościami energii. Przejściu układu kwantowego od jednego poziomu energetycznego do drugiego towarzyszy pochłonięcie lub emisja kwantu o energii równej różnicy poziomów przejścia.
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
18
Emisja promieniowania.
• Emisja spontaniczna
efekt oraz moment emisji nie jest w pełni przewidywalny
• Emisja wymuszona
energia fotonu inicjującego musi być równa energii wzbudzenia atomu i nie jest on pochłaniany
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
19
Foton emitowany przez atom ma częstotliwość (energię), fazę i polaryzację taką samą jak foton wywołujący emisję.
prawdopodobieństwo absorpcji fotonu przez atom w stanie podstawowym
o wielkości emisji/pochłaniania ośrodka decyduje różnica liczby atomów w stanie wzbudzonym i podstawowym.
prawdopodobieństwu emisji wymuszonej atomu wzbudzonego
=
Rozkład obsadzenia poziomów energetycznych układu w stanie niewzbudzonym – najliczniej obsadzone są stany o najniższej wartości energii (zgodnie z rozkładem Boltzmana)
Tk
E
BeN−
~
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
20
Aby sprowokować emisję kwantu musi wystąpić inwersja obsadzeń –więcej jest elektronów wzbudzonych niż w stanie podstawowym.
Do układu należy dostarczyć energii:
foton wzbudza elektron na najwyższy stan
energetyczny E3, który jest poziomem o krótkim
czasie życia. Elektron przechodzi więc na poziom E2
na którym elektrony pozostają nieco dłużej (nawet
kilka milisekund). Jest to tak zwany poziom
metastabilny. Czas życia poziomu metastabilnego
musi być wystarczająco długi, aby zaszło
zjawisko inwersji obsadzeń.
Następnie elektrony wracają na
stan podstawowy, emitując foton
o energii równej różnicy między
poziomem E2 a E1. Foton ten,
uderzając w elektron znajdujący
się na stanie metastabilnym,
zainicjuje "lawinową" emisję wymuszoną.
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
21
Jak spowodować inwersję obsadzeń ?
Inwersje obsadzeń pozyskuję się na skutek dostarczenia energii do ośrodka czynnego, czyli tak zwanego pompowania. Na skutek pompowania atomy ośrodka czynnego przechodzą w stan wzbudzony, a następnie w stan metatrwały
Pompowanie poprzez:
- błysk lampy błyskowej,- błysk innego lasera,- przepływ prądu przez
substancję czynną,- reakcję chemiczną,- zderzenia atomów,
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
22
Praktyczna realizacja pompowania optycznego i emisji wymuszonej
1.
2.
3.
4.
5.
•Aby emisja światła była stabilna, między zwierciadłami musi wytworzyć się fala stojąca
Oznacza to, że między zwierciadłami mieści się całkowita liczba połówek fali
W zależności od długości otrzymanego promieniowania rozróżniamy:
MASER - Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation
oraz
LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Układ luster to:rezonator optyczny, w którym światło madługość:
n
L2=
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Teleinformatyka
2310.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
23
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
24
MASER został wynaleziony w 1951 roku przez Charlsa Townes'a. Substancją czynną w tym maserze był amoniak. Maser ten emitował mikrofale o długości fali 1,26 mm.
Działanie masera jest analogiczne do działania wynalezionego później lasera.W maserze gazowym gaz podgrzewany jest do wysokiej temperatury. Cząsteczki w procesie wzbudzania uzyskują różne wartości energii. Konieczne jest odseparowanie cząstek wzbudzonych od tych w stanie podstawowym. Robi się to przy pomocy 4 elektrod, które są źródłem silnego pola elektrostatycznego. W tym polu cząsteczki w stanie podstawowym są odchylane, a te wzbudzone przemieszczają się w kierunku rezonatora. Dopiero tam ma miejsce wymuszona emisja promieniowania.
MASER (Means of Acquiring Support for Expensive Research)
Przez rezonator przepuszczane jest promieniowanie mikrofalowe o
częstotliwości 24 GHz zwiększając inwersję obsadzeń i inicjując proces emisji
samopodtrzymującego się promieniowania mikrofalowego.
Wady masera:
-wąskie pasmo przenoszenia
-mały zakres przestrajania
-mała moc – do 10-9 W
10.06.2020 2510.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
25
MASER wodorowy
Po wprowadzeniu atomów
do komory zaczyna się emisja
spontaniczna pobudzjąca
pozostałe atomy H2 do emisji
wymuszonej.
Dostrajalny odbiornik odbija fotony
podtrzymując emisję wymuszoną
i rezonans wewnątrz komory.
zegar atomowy
10.06.2020 2610.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
26
MASER krystaliczny
W maserach krystalicznych wykorzystuje się paramagnetyzm kryształów takich jak np. rubin czy korund żelazowy.
Wzbudzenia atomów ośrodka jest możliwe dzięki ochłodzeniu kryształu do temperatury ciekłego helu. Następuje wtedy separacja paramagnetycznych atomów od drgań sieci.
Drugim czynnikiem umożliwiającymwzbudzenie, jest działanie nakryształ stałego pola magnetycznego o dużym natężeniu.
Wadą jest konieczność utrzymywania
bardzo niskich temperatur oraz silnych
pól magnetycznych.
10.06.2020 2710.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
27
W 2012 r. NPL - National Physical Laboratory w Wielkiej Brytanii zastąpiło rubin
kryształem p-terfenylu wzbogaconym pentacenem. W temperaturze pokojowej ma
on takie same pożądane w maserze właściwości co rubin w temperaturze bliskiej
zeru absolutnemu. Nie wymaga też silnych pól magnetycznych.
Nowy maser pracuje impulsowo, w wąskim zakresie częstotliwości.
10.06.2020 2810.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
28
Zastosowanie maserów
10.06.2020 2910.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
29
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
30
Historia maserów i laserów
1917 – Einstein objaśnia emisję wymuszoną
1953 – Townes (1964 –nagroda Nobla), 1954 - Basow, Prochorow –
pierwszy wzmacniacz kwantowy – maser amoniakalny1960 – Maiman, laser rubinowy1961 – Javan laser He-Ne1962 – IBM - laser półprzewodnikowy na GaAs1963 – pierwszy polski laser gazowy He-Ne (WAT)1966 – Nobel dla A. Kastlera za teorię pompowania optycznego1970 – laser półprzewodnikowy w obszarze widzialnym
(Alferovi i Kroemer – Nobel 2000)2012 – Oxborrow - maser krystaliczny pracujący w temperaturze
pokojowej
10.06.2020 31
Właściwości promieniowania laserowego
• jest monochromatyczne;
•ma bardzo małą szerokość linii emisyjnej;
•ma bardzo małą rozbieżność wiązki;
• jest spójne w czasie i przestrzeni;
• ma dużą moc w wybranym
obszarze widma;
Przykładowo:
Typowy laser He-Ne ma moc około 5mW, ale po skupieniu na powierzchni 10μm2 gęstość mocy wynosi 5 x 102MW/m2.
Laser o mocy 100W, po skupieniu - 10TW/m2 (1023fotonów/cm3)
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
31
Szerokość widmowa – zależy od długości życia stanów
wzbudzonych, oddziaływań i odległości międzyatomowych
•W ciągu jednego przejścia przez ośrodek wiązka jest wzmacniana 0,02 – 10 razy w zależności od lasera, jest to za mało na produkcję wiązki laserowej o odpowiedniej mocy – przejść musi być wiele aż do nasycenia
•Wiązka przechodzi od 2 razy (lasery barwnikowe) do 500 razy (lasery HeNe)
•Nasycenie pojawia się gdy wiązka wzrośnie ok. e12 razy.
Wzrost wiązki i nasycenie
10.06.2020 3210.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
32
10.06.2020 33
Klasyfikacja laserów
Ośrodek czynny:
- gazowe:
- atomowe (np. Ar, N, He-Ne)
- molekularne (np. CO2, CO)
- cieczowe (barwnikowe – barwniki organiczne w cieczy)
- na ciele stałym:
- krystaliczne (np. rubinowy)
- dielektryczne (np. neodym w granacie itrowo-aluminiowym
(Nd:YAG) lub w szkle Nd:glass)
- półprzewodnikowe:
- na materiale objętościowym (np. quantum cascade laser-
QCL - stop AlGaAs/GaAs)
- złączowe (np. diody laserowe, lasery na kropkach
kwantowych, studniach kwantowych)
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
33
Sposób emisji:
- ciągły (P: μW-kW)
- impulsowe:
- pojedyncze impulsy (t: ps-ms; P: kW-TW)
- ciągi impulsów (f: Hz-MHz)
Przykładowe zastosowania:
- do produkcji układów scalonych – gazowe (UV: 150-350nm)
- dermatologia – rubinowy, Nd:YAG (690-2900 nm)
- wskaźniki, drukarki (diody małej mocy)
- przemysłowe (cięcie, spawanie – diody o mocy do 10 kW)
- wojskowe
10.06.2020 3410.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
34
10.06.2020 35
Laser gazowy He-Ne
1960 Javan, Bennet i Herriot z Bell Labs
uzyskali ciągłą akcję laserową dla = 1150 nm
a w 1962 dla fali = 632,8 nm
Atomów He jest dużowięcej niż Ne (pHe 130 PapNe13 Pa) prąd wzbudza (pompuje) atomy He.
Zderzenia niesprężysteHeNe powodująwzbudzenie atomów Ne
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
35
Sprawność lasera He-Ne jest rzędu 0.01-0.1%, moc optyczna w zakresie 0.5−50 mW (konieczna długa rura wyładowcza)średnica wiązki to 0.5−2 mm, a jej rozbieżność wynosi 0.5−2 mrad. Stabilność poziomu mocy optycznej jest rzędu 5%/h, zaś trwałość laserów He-Ne dochodzi do 20 000 godzin.
Zmiana ciśnienia gazów tworzących ośrodek aktywny, zmiany odległości zwierciadeł rezonatora, zmiany prądu wyładowania lub średnicy rury wyładowczej, umożliwia generację światła na blisko 30 liniach spektralnych w zakresie długości fali od 0.59 μm do 3.39 μm.
Lasery kryptonowe i ksenonowe – zakres UV, argonowy od 457,9 nm do 514,5 nm stosowane np. do pompowania laserów barwnikowych.
10.06.2020 3610.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
36
10.06.2020 37
Laser barwnikowy
1966 w IBM zbudowano
pierwszy laser barwnikowy
Substancją czynną jest
roztwór zawierający
barwnik organiczny, np.
rodamina.
Laser jest pompowany
optycznie np. laserem Ar.
Działanie impulsowe do ok.
100 Hz lub ciągłe
10.06.2020Wydział Informatyki, Elektroniki i
Telekomunikacji - Elektronika
37
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
38
Laser barwnikowy umożliwia ciągłą zmianę długości fali z zakresie ok. 0,4-0,8 µm lub od bliskiej podczerwieni do bliskiego ultrafioletu (1 µm 0,2 µm).
Zakresy te uzyskuje się przez stosowanie różnych barwników organicznych: fluorosceina, radomina, kumaryna i in..
Lasery impulsowe - energie w impulsie wynoszą od kilkudziesięciu µJ do kilku mJ i moce od kilku kW do kilkunastu kW.
Zastosowania:- astronomia,- spektroskopia,- medycyna (dermatologia, urologia)
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
39
Laser rubinowy
Theodore Maiman (1927-2007)
Ośrodek czynny – korund (Al2O3) domieszkowany chromem – rubin.
Laser impulsowy, wymaga dużej mocy pompowania, emituje falę 694 nm
Zastosowanie – np. usuwanie tatuaży
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
40
Rezonator optyczny:- zapewnia dodatnie sprzężenie zwrotne (wzmacniacz staje się
generatorem), - wymusza oscylacje na częstościach rezonansowych (powstają mody
czyli fale stojące),- ingeruje w szerokość połówkową linii emisji (im lepszy rezonator tym
węższa linia zapewnienie monochromatyczności),- ingeruje w geometrię wiązki (kolinearność, wpływ na spójność).
Inne lasery na ciele stałym
Laser neodymowy np.Yb:YAG
na bazie granatu itrowo-aluminiowego
lub ze szkła neodymowego.
Energia impulsu – od mJ do kilkuset J,
impulsy możliwe co kilka, kilkadziesiąt
sekund, a moce impulsu do GW.
Zastosowanie: w telekomunikacji, laserowych układach śledzących,
w kontrolowanych reakcjach jądrowych.
W Polsce- Inst. Fizyki Plazmy
1 J, 1 ps, 1 TW do badań
oddziaływania plazmy z
laserem.
10.06.2020 4110.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
41
Lasery półprzewodnikowe (diody laserowe, lasery diodowe)
10.06.2020 42
Przyczyną emisji fotonu jest rekombinacja, czyli przejście elektronu z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego i połączenie z dziurą.
Proces rekombinacji zachodzi w każdym materiale półprzewodnikowym, lecz jedynie w niektórych materiałach jego rezultatem jest emisja promienista, a w pozostałych przypadkach następuje jedynie wzrost temperatury materiału.
Aby nastąpiła rekombinacja musi być pompowaniew tym wypadku prądem. Poniżej ok. 250 mA LD świeci jak LED – brak spójności, emisje spontaniczne.Większy prąd – większa inwersja + konieczny rezonator optyczny!
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
42
Po wzbudzeniu, mała część elektronów rekombinuje promieniście, a większość przechodzi na poziomy metastabilne o małym prawdopodobieństwie rekombinacji.
Obszary n i p wokół obszaru aktywnego domieszkowane są dodatkowo Al w celu uzyskania warstw odbijających promienie wyemitowane spontanicznie. Promienie te odbijane są wielokrotnie (duże n - tworzy się w ten sposób tzw. rezonator Fabry-Perota.
Promienie odbijające się w rezonatorzewywołują kolejne rekombinacje promieniste, przez co światło jest wzmacniane.
434310.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
10.06.2020 44
Wnęka rezonansowa ma przekrój poprzeczny w kształcie prostokąta (ok. 2 μm x 10 μm). Tak małe rozmiary powodują dużą rozbieżność wiązki – konieczne jest użycie soczewki.
Charakterystyka emisyjna LD
promieniowanie spójne
promieniowanie spontaniczne
10.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
44
Mniejszy rozmiar, krótsza fala
4 razy gęstsze upakowanie informacji
podłoża GaN – Inst. Wysokich Ciśnień PAN
10.06.2020 4510.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
45
Przestrajalne lasery półprzewodnikowe
Nowe wymagania stawiane nadajnikom w torach światłowodowych
skłaniają do wprowadzania źródeł sygnałów optycznych o
przestrajalnej długości fali.
Mechanizmy przestrajania długości fali:- zmiana temperatury- zmiana natężenia prądu (zależność wsp. załamania od gęstości wstrzykiwanych do lasera nośników
Zamiast rezonatora F-P stosuje się braggowskie siatki dyfrakcyjne –lasery z selektywnym sprzężeniem zwrotnym:DBR (Distributed Bragg Reflector)DFB (Distributed Feedback)
10.06.2020 4610.06.2020 Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
46
Konstrukcja lasera Przestrajanie częstotliwości Zalety Wady
DFB (Distributed Feedback
Laser)
Zmiana temperatury lasera lub prądu
zasilającego
Stabilność, łatwość regulacji,
niezawodność, łatwa produkcja
Zakres przestrajania 5
nm/segment
DBR (Distributed Bragg
Reflector)
Zmiana prądu zasilającego segmenty
DBR powoduje zmianę
współczynników załamania
Prosta konstrukcja Złożona regulacja, mata
stabilność modów
S-DBR (DBR z siatką
periodycznie zaburzoną)
Zmiana prądu zasilającego segmenty
DBR
Szeroki zakres przestrajania Złożona regulacja prądu,
mała stabilność modowa
F-P (Fabry-Perota) Mechaniczna zmiana długości wnęki
między zwierciadłami
Szeroki zakres przestrajania,
mały koszt lasera, prosta
regulacja
Złożona stabilność
mechaniczna i cieplna
VCSEL/MEMS
(Vertical Cavity Surface
Emitting Laser)
Mechaniczna zmiana długości wnęki
za pomocą mikroluster MEMS
Prosta regulacja, szeroki zakres
przestrajania, szybkie
przestrajanie
Pompowanie optyczne,
mała moc wyjściowa
10.06.2020 47
Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji - Elektronika
top related