Bu tip lazerlərdə aktiv mühit yarımkeçirici kristaldır. Ən çox yayılmış nasos üsulu kristaldan cərəyan keçirməkdir.
Yarımkeçirici enjeksiyon lazeri iki elektrodlu bir cihazdır iləp-n- keçid (buna görə də tez-tez "lazer diodu" termini istifadə olunur), burada koherent şüalanmanın yaranması birbaşa cərəyan keçdikdə yük daşıyıcılarının vurulması ilə əlaqələndirilir. p-n- keçid.
Enjeksiyon lazerinin aktiv mühiti (şəkil 3.23) arasında yerləşən nazik düzbucaqlı paralelepipeddə yerləşdirilir. R və n yarımkeçirici strukturun təbəqələri; qalınlığı d aktiv sahə təxminən 1 µm-dir. Kristalın cilalanmış və ya kəsilmiş ucları (en w), optik olaraq düz və ciddi şəkildə paralel hazırlanmış, belə bir dizaynda optik rezonator kimi çıxış edir (Fabry-Perot rezonatorunun analoqu). Cilalanmış kristal müstəvilərdə optik şüalanmanın əks olunma əmsalı 20-40%-ə çatır ki, bu da əlavə texniki vasitələrdən (xüsusi güzgülər və ya reflektorlardan) istifadə etmədən zəruri müsbət rəyi təmin edir. Bununla belə, kristalın yan üzləri kobud səthə malikdir, bu da onlardan optik şüaların əks olunmasını azaldır.
Şəkil 3.23 - Yarımkeçirici lazerin qurulması
Lazer diodunda aktiv mühitin pompalanması xarici elektrik meyli ilə təmin edilir rayon- irəli istiqamətə keçid. Eyni zamanda, vasitəsilə rayon- qovşaq əhəmiyyətli cərəyan axır Ild və yarımkeçirici lazerin aktiv mühitinə həyəcanlı yük daşıyıcılarının intensiv yeridilməsi əldə edilir. Enjekte edilmiş elektronların və dəliklərin rekombinasiyası prosesində işıq kvantları (fotonlar) ayrılır.
Foton daxil olarsa, lazer salınımları həyəcanlanır və yaranır aktiv mühit fotonların qismən çıxışı, səpilməsi və udulması ilə bağlı optik şüalanma itkilərini üstələyir. Yarımkeçirici lazerin aktiv mühitində foton gücləndirmə əmsalı yalnız intensiv yük inyeksiyası üçün əhəmiyyətli olur. Bunu etmək üçün kifayət qədər böyük bir elektrik cərəyanı təmin etmək lazımdır. Ild.
Aktiv maddə olan sistemi generatora çevirmək üçün müsbət rəy yaratmaq lazımdır, yəni gücləndirilmiş çıxış siqnalının bir hissəsi kristala qaytarılmalıdır. Bunun üçün lazerlərdə optik rezonatorlardan istifadə olunur. Yarımkeçirici lazerdə rezonatorun rolunu parçalanma üsulu ilə yaradılmış paralel kristal üzlər oynayır.
Bundan əlavə, elektrik, elektron və optik məhdudiyyətlər təmin edilməlidir. Elektrik məhdudiyyətinin mahiyyəti ondan ibarətdir ki, strukturdan keçən elektrik cərəyanının maksimum hissəsi aktiv mühitdən keçir. Elektron həbs bütün həyəcanlanmış elektronların aktiv mühitdə konsentrasiyası və onların passiv bölgələrə yayılmasına qarşı tədbirlər görülməsidir. Optik qapaq işıq şüasının kristaldan çoxsaylı keçidi zamanı yayılmasının qarşısını almalı və lazer şüasının aktiv mühitdə saxlanmasını təmin etməlidir. Yarımkeçirici lazerlərdə bu, şüanın məhdudlaşdırılması zonasının qonşu kristal bölgələrə nisbətən bir qədər yüksək sınma indeksi ilə xarakterizə olması səbəbindən əldə edilir ki, bu da şüanın özünə fokuslanmasının dalğa ötürücü effekti ilə nəticələnir. Kırılma göstəricilərinin fərqliliyi, heterostrukturların istifadəsi də daxil olmaqla, kristal zonalarının dopinqinin təbiəti və dərəcəsindəki fərqlə əldə edilir.
Yarımkeçiricilərdə sərbəst elektronların və dəliklərin rekombinasiyası zamanı enerji ayrılır ki, bu da kristal qəfəsə verilə (istiliyə çevrilə bilər) və ya işıq kvantları (fotonlar) şəklində buraxıla bilər. Yarımkeçirici lazerlər üçün fotonların emissiyası (radiativ rekombinasiya) prinsipial əhəmiyyət kəsb edir. Silikon və germanium yarımkeçiricilərində fotonların emissiyasına səbəb olan rekombinasiya hadisələrinin payı çox kiçikdir; belə yarımkeçiricilər lazerlər üçün mahiyyətcə yararsızdır.
Əks halda, rekombinasiya prosesləri A 3 B 5 tipli ikili (ikiqat) yarımkeçiricilərdə (həmçinin A 2 B 6 və A 4 B 6) gedir, burada müəyyən, texniki cəhətdən mükəmməl şəraitdə radiasiya rekombinasiyasının nisbəti 100%-ə yaxınlaşır. . Belə yarımkeçiricilər birbaşa boşluqlardır; həyəcanlanmış elektronlar hərəkət sürətini və istiqamətini dəyişdirmədən, əlavə stimullaşdırıcı şərait və vasitələr (aralıq enerji səviyyələri və istilik effektləri) olmadan, enerji itirərək birbaşa fotonlar buraxaraq, zolaq boşluğundan keçir. Birbaşa radiasiyaya keçid ehtimalı ən yüksəkdir.
A 3 B 5 tipli ikili birləşmələr arasında lazer materialları kimi qallium arsenid GaAs kristalları üstünlük təşkil edir. Yarımkeçirici lazerlərin fiziki və texniki imkanlarının genişləndirilməsi qallium arsenidinin bərk məhlulları ilə təmin edilir, burada əlavə elementlərin atomları (alüminium - Al, indium - In, fosfor - P, sürmə - Sb) qarışdırılır və sərt şəkildə sabitlənir. əsas strukturun ümumi kristal şəbəkəsi. Üçlü birləşmələr geniş yayılmışdır: qalium–alüminium arsenid Ga 1–x Al x As, indium–qallium arsenid In x Ga 1–x As, qalium arsenid–fosfid GaAs 1–x P x, qalium arsenid–antimonid GaAs x Sb1– x və dördüncü birləşmələr: Ga x In 1–x As y P 1–y, Al x Ga 1–x As y Sb1-y. Məzmun ( X və ya saat) bərk məhlulda müəyyən elementin 0 daxilində təyin edilir<X<1, 0<saat<1.
Birbaşa boşluqlu yarımkeçiricilər ikiqat birləşmələr A 3 B 5 (InAs, InSb, GaSb), A2B6 (ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, CdS, CdTe, CdSe), bir qrup (PbS, PbSe, PbTe) və bərk məhlullardır. (Zn 1 –x Cd x S, CdS 1–x Se x, PbS 1–x Se x, Pb x Sn 1–x Te).
Yarımkeçirici lazerin radiasiya dalğa uzunluğu, öz növbəsində, müəyyən bir yarımkeçirici birləşmənin fiziki xüsusiyyətləri ilə aydın şəkildə müəyyən edilən bant boşluğu ilə kifayət qədər sərt şəkildə bağlıdır. Lazer materialının tərkibini dəyişdirərək, bant boşluğunu və nəticədə lazer radiasiyasının dalğa uzunluğunu dəyişdirmək mümkündür.
Enjeksiyon lazerləri aşağıdakı üstünlüklərə malikdir:
subminiatür: rezonatorun nəzəri minimum uzunluğu 10 µm-ə yaxındır və onun en kəsiyi sahəsi 1 µm 2-ə yaxındır;
nasos enerjisinin radiasiyaya çevrilməsinin yüksək səmərəliliyi, ən yaxşı nümunələr üçün nəzəri həddə yaxınlaşır; bu, yalnız enjeksiyon pompası ilə arzuolunmaz itkilərin aradan qaldırılması ilə əlaqədardır: elektrik cərəyanının bütün enerjisi həyəcanlanmış elektronların enerjisinə çevrilir;
nəzarət asanlığı - inteqral sxemlərə uyğun olan aşağı gərginliklər və həyəcan cərəyanları; xarici modulyatorlardan istifadə etmədən radiasiya gücünün dəyişdirilməsi imkanı; həm davamlı, həm də impuls rejimində işləmə, çox yüksək keçid sürətini təmin edərkən (pikosaniyə diapazonunda).
Yarımkeçirici lazerlərin (lazer diodlarının) idarə edilməsi dövrə ilə təmin edilir və buna görə də nisbətən sadə olur. Radiasiya gücü P izl yarımkeçirici lazer (Şəkil 3.24) enjeksiyon cərəyanından asılıdır Ild(həyəcan cərəyanı) lazer diodunun (LD) aktiv zonasında. Aşağı cərəyan səviyyələrində Ild yarımkeçirici lazer bir LED kimi fəaliyyət göstərir və aşağı güclü qeyri-koherent optik şüalanma yaradır. Eşik cari səviyyəsinə çatdıqda Ild lazer boşluğunda optik salınımlar əmələ gəlir və koherent olur; radiasiya gücü kəskin şəkildə artır Rizl. Bununla birlikdə, istehsal olunan güc Rizl və bu rejimdə cari səviyyəyə mütənasibdir Ild. Beləliklə, yarımkeçirici lazerin radiasiya gücünün dəyişdirilməsi (köçmə, modulyasiya) imkanı birbaşa I inyeksiya cərəyanının məqsədyönlü dəyişməsi ilə bağlıdır. ld.
Lazer diodunun impuls rejimində onun iş nöqtəsi M (şək. 3.24) a) vatt-amper xarakteristikasının düz bir hissəsinə sabitlənmişdir Rizl = (Ild) lazerin eşikaltı bölgəsində. Cərəyanın kəskin artması Ildəməliyyat nöqtəsini xarakteristikanın dik bir hissəsinə (məsələn, mövqeyə N), lazer salınımlarının gücünün həyəcanlanmasına və intensiv artımına zəmanət verir. Cari çürümə Ild və lazerin işləmə nöqtəsinin ilkin vəziyyətinə köçürülməsi M lazer salınımlarının pozulmasını və lazer şüalanmasının çıxış gücünün kəskin azalmasını təmin edir.
Lazer salınımlarının analoq modulyasiya rejimində əməliyyat nöqtəsi Q vatt-amper xarakteristikasının sıldırım kəsiyində sabitlənmişdir (Şəkil 3.24 b). Cari dəyişiklik Ild xarici informasiya siqnalının təsiri altında yarımkeçirici lazerin çıxış gücündə mütənasib dəyişikliyə səbəb olur.
Şəkil 3.24 - Rəqəmsal (a) və analoq (b) modulyasiya rejimlərində yarımkeçirici lazerin şüalanma gücünün idarə edilməsi üçün diaqramlar
Enjeksiyon lazerlərinin çatışmazlıqları da var, bunlardan ən əsasları:
Radiasiyanın aşağı uyğunluğu (məsələn, qaz lazerləri ilə müqayisədə) - spektral xəttin əhəmiyyətli genişliyi;
Böyük bucaq fərqi;
Lazer şüasının asimmetriyası.
Lazer şüasının asimmetriyası difraksiya fenomeni ilə izah olunur, bunun sayəsində düzbucaqlı rezonatorun buraxdığı işıq axını qeyri-bərabər genişlənir (şək. 3.25). a): Necə saat rezonatorun eyni ucu, şüalanma bucağı θ bir o qədər böyükdür. Yarımkeçirici lazerdə rezonatorun qalınlığı d onun enindən w nəzərəçarpacaq dərəcədə kiçikdir; buna görə də şüalanma bucağı θ|| üfüqi müstəvidə (Şəkil 3.25 b) şaquli müstəvidə θ 1 bucağından kiçikdir (şək. 3.25). in), yarımkeçirici lazer şüasının isə elliptik en kəsiyi var. Adətən θ || ≈ 1015°, a θ 1 ≈ 20-40°, bu, bərk hallı və xüsusilə qaz lazerlərininkindən açıq-aydın böyükdür.
Şəkil 3.25 - Yarımkeçirici lazerin optik şüalanmasının səpilməsi
Asimmetriyanı aradan qaldırmaq üçün elliptik Qauss işıq şüası çarpaz silindrik linzalardan istifadə edərək dairəvi şüaya çevrilir (şək. 3.9).
Şəkil 3.26 - Çapraz silindrik linzalardan istifadə edərək elliptik Qauss işıq şüasının dairəvi birinə çevrilməsi
Lazer diodları çapdan əvvəlki proseslərdə bir çox foto və forma çıxış cihazlarında, həmçinin rəqəmsal çap maşınlarında məruz qalma radiasiya mənbələri kimi olduqca geniş tətbiq tapmışdır.
Bir qayda olaraq, lazer şüası fiber optik işıq bələdçiləri vasitəsilə lazer diodundan məruz qalmış materiala daxil olur. Yarımkeçirici lazerlərin və optik liflərin optimal optik uyğunluğu üçün silindrik, sferik və çubuqlu (qradiyent) linzalar istifadə olunur.
Silindrik linza (Şəkil 3.27 a) lazer şüasının güclü uzanmış ellipsini çevirməyə və optik lifin girişində ona demək olar ki, dairəvi en kəsiyi verməyə imkan verir. Bu halda, lazer şüalanmasının multimod optik lifə daxil edilməsinin səmərəliliyi 30%-ə çatır.
Şəkil 3.27 - Yarımkeçirici lazer və optik lifin optik uyğunlaşdırılması üçün silindrik (a) və sferik (b) linzaların istifadəsi
Sferik lens (Şəkil 3.27 b) divergent lazer radiasiya şüalarının əhəmiyyətli diametrli paralel işıq şüasına çevrilməsini təmin edir ki, bu da optik şüalanmanın sonrakı çevrilməsini və optimal daxil edilməsini əhəmiyyətli dərəcədə asanlaşdırır.
Belə çevrilmə və girişin təsirli elementi radiasiyanı optik lifin ədədi diafraqması ilə tələb olunan (nisbətən kiçik) bucaq altında birləşən şüaya yönəldən çubuq (qradiyent) lensdir. Çubuq linzalar optik radiasiyanın daxil edilməsi üçün düz ucları olan silindrik formaya malikdir. Bir çubuq (gradient) lensdə, gradient optik lifdə olduğu kimi, sındırma indeksi sabit deyil, məsafənin kvadratına nisbətdə azalır: mərkəzi oxdan (yəni radiusun kvadratına mütənasib olaraq) . Bununla belə, gradient işıq bələdçisindən fərqli olaraq, gradient lens böyük diametrə (12 mm) malikdir və qabığı yoxdur.
Əncirdə. 3.28 a bir gradient lensdə bir işıq şüasının traektoriyaları göstərilir, içərisinə paralel bir şüa daxil edilir, sonra dəyişir və sinusoidal traektoriya boyunca hərəkət edir. İşığın yayılmasının belə bir trayektoriyası bir dövrə (addım) malikdir.
harada g lensin sınma indeksinin paylanmasını (və nəticədə fokuslanma dərəcəsini) təyin edən parametrdir.
Müəyyən bir uzunluqda gradient çubuğunu yaratmaqla (kəsməklə). L, linzanın müəyyən fokuslanma xüsusiyyətlərini aydın şəkildə formalaşdırmaq mümkündür. Əgər a L = Lr/2, onda düşən paralel işıq şüası linzanın həcmində fokuslana bilər və sonra yenidən paralel şüa şəklində çıxa bilər.
Gradient lens uzunluğu L = lp /4 paralel işıq şüasını kiçik diametrli bir nöqtəyə yönəldir (Şəkil 3.28 b), böyük diametrli bir optik şüa kiçik ədədi diyaframı olan bir optik lifə daxil edildikdə təsirli olur.
Uzunluğu olan gradient lensin formalaşdırılması L≤ Lp /2Şəkildə göstərilən texniki versiyada. 3.28 in, bir optik kanal üzərində yarımkeçirici lazer və fiber işıq bələdçisini uğurla uyğunlaşdırmaq mümkündür
Şəkil 3.28 - Optik şüalanmanın girişi və çıxışı üçün çubuqlu linzaların istifadəsi
CtP sistemləri adətən aşağı güclü diodlardan istifadə edir. Bununla belə, onlar qruplara birləşdirildikdə, sistemin ümumi gücü 50% səmərəliliklə yüzlərlə vata çata bilər. Tipik olaraq, yarımkeçirici lazerlər xüsusi soyutma sistemlərinin istifadəsini tələb etmir. Suyun intensiv soyudulması yalnız yüksək güclü cihazlarda istifadə olunur.
rəis dezavantaj yarımkeçirici lazerlər enerjinin lazer şüasının kəsiyi üzərində qeyri-bərabər paylanmasıdır. Bununla belə, yaxşı qiymət-keyfiyyət nisbətinə görə, yarımkeçirici lazerlər son vaxtlar CtP sistemlərində ən populyar məruz qalma mənbələrinə çevrilmişdir.
Bu gün dalğa uzunluğuna malik infraqırmızı diodlar geniş istifadə olunur 670 və 830 nm. Onlarla təchiz edilmiş cihazlara Lotem və Trendsetter (Creo) daxildir; PlateRite (Dainippon Ekranı); Topsetter (Heydelberq); XPose! (Luşer); Ölçü (Presstech). Cihazların işini yaxşılaşdırmaq üçün məruz qalma bir diod matrisi tərəfindən həyata keçirilir. Minimum nöqtə ölçüsü adətən 10-14 mikron aralığında olur. Bununla belə, IR diodlarının sahəsinin dayaz dərinliyi əlavə şüa korreksiyası əməliyyatlarının istifadəsini tələb edir. IR diodlarının üstünlüklərindən biri gün işığında plitələrin yüklənməsinin mümkünlüyünü qeyd etmək olar.
Bu yaxınlarda CtP cihazlarının bir çox modelində dalğa uzunluğu 405 nm olan bənövşəyi lazer diodundan istifadə olunur. Yarımkeçirici bənövşəyi lazer sənayedə nisbətən yaxınlarda istifadə edilmişdir. Onun tətbiqi DVD texnologiyasının inkişafı ilə bağlıdır. Çox tez bir zamanda yeni radiasiya mənbəyi Kompüterdən Plitə sistemlərində istifadə olunmağa başladı. Bənövşəyi lazer diodları ucuz, davamlıdır və plitələrin surət qatlarına təsir etmək üçün kifayət qədər radiasiya enerjisinə malikdir. Bununla belə, qısa dalğa uzunluğunun emissiyası səbəbindən lazer çox şıltaqdır və qeyd lövhəsinin səthinin keyfiyyəti və optikanın vəziyyəti qeydin keyfiyyətinə böyük təsir göstərir. Bənövşəyi lazer ekspozisiya lövhələri sarı işıq altında yüklənə bilər. Hazırda bənövşəyi lazer aşağıdakı cihazlarda istifadə olunur: Palladio (Agfa); Mako 2 (ECRM); Luxel V/Vx (Fuji Film); Prosetter (Heidelberg); PlateDriver (Esko-Graphics).
Uzun dalğalı yarımkeçiricilərin və LED mənbələrinin istifadəsi FNA tikinti sxemini əhəmiyyətli dərəcədə asanlaşdırır. Bununla belə, bu mənbələr aşağı gücə malikdir və bu, forma materialına kopyalandıqda sahəsi azalan "yumşaq" nöqtəyə gətirib çıxarır. Bu lazerlərin dalğa uzunluğu 660 nm (qırmızı) ilə 780 nm (infraqırmızı) arasındadır.
Bilik bazasında yaxşı işinizi göndərin sadədir. Aşağıdakı formadan istifadə edin
Tədris və işlərində bilik bazasından istifadə edən tələbələr, aspirantlar, gənc alimlər Sizə çox minnətdar olacaqlar.
Oxşar Sənədlər
İşıq bələdçisi boyunca elektromaqnit enerji impulsunun yayılması. Multimod liflərində intermod dispersiya. Moddaxili dispersiyanın təyini. Tək rejimli optik lifdə material və dalğa ötürücüsünün dispersiyası. Sıfır dispersiya dalğa uzunluğu.
test, 18/05/2011 əlavə edildi
Enjeksiyon nasos mexanizmi. Yanlış gərginliyin böyüklüyü. Yarımkeçirici lazerlərin əsas xarakteristikası və onların qrupu. Yarımkeçirici lazerin tipik emissiya spektri. Eşik cərəyanları. İmpuls rejimində lazer şüalanma gücü.
təqdimat, 02/19/2014 əlavə edildi
Sistemin enerji potensialının və optik liflərdə dispersiyanın verilmiş parametrlərinə uyğun olaraq informasiyanın ötürülməsi üçün fiber-optik sistemin (FOCL) regenerasiya bölməsinin uzunluğunun hesablanması. FOCL sürətinin qiymətləndirilməsi. Bant genişliyinin tərifi.
test, 29/05/2014 əlavə edildi
Erbium optik siqnal gücləndiriciləri. Fiber gücləndiricilərin parametrləri. Siqnal çıxış gücü və nasosun enerji səmərəliliyi. Bant genişliyi və vahidliyi əldə edin. Yarımkeçirici nasos lazeri "LATUS-K". Lazer nasosunun dizaynı.
dissertasiya, 24/12/2015 əlavə edildi
Üzvi materialların emalı üçün nəzərdə tutulmuş yarımkeçirici lazer əsasında büdcə lazer kompleksinin yaradılması layihəsinin inkişaf mərhələləri və həyata keçirilməsi perspektivləri. Fotodetektorun əsas parametrlərinin və xarakteristikalarının öyrənilməsi.
kurs işi, 07/15/2015 əlavə edildi
III nəsil fiber-optik rabitə xətləri üçün üçüncü və beşinci qrup birləşmələri əsasında yarımkeçirici lazer strukturunun hesablanması. Kristal quruluşun seçimi. Parametrlərin hesablanması, ROS rezonatoru, daxili kvant məhsuldarlığı, optik məhdudiyyət.
kurs işi, 11/05/2015 əlavə edildi
Cətiqara-Komsomolets bölməsində sıxılmış K-60p sisteminin əvəzinə SDH sinxron rəqəmsal iyerarxiya (SDH) avadanlığından istifadə edərək fiber-optik kabelin çəkilməsi. Yarımkeçirici lazerin maksimum icazə verilən şüalanma səviyyələrinin hesablanması.
dissertasiya, 11/06/2014 əlavə edildi
İki media arasındakı interfeysdə müstəvi dalğanın baş verməsi, dalğa müqavimətlərinin və sahə komponentlərinin nisbəti. Metal lifdə qütbləşmiş dalğaların yayılması, onların nüfuz dərinliyinin hesablanması. Dielektrik lif daxilində sahənin təyini.
kurs işi, 06/07/2011 əlavə edildi
federal dövlət büdcəsi
Təhsil müəssisəsi
kurs dizaynı
mövzuda:
"Yarımkeçirici lazer"
Tamamlandı:
tələbə gr. REB-310
Vasiliev V.F.
Yoxlandı:
dosent, t.ü.f.d. Şkaev A.G.
Omsk 2012
federal dövlət büdcəsi
Təhsil müəssisəsi
ali peşə təhsili
"Omsk Dövlət Texniki Universiteti"
“Elektron avadanlıqların texnologiyası” kafedrası
İxtisas 210100.62 - "Sənaye elektronikası"
Məşq edin
İntizam üzrə kurs dizaynı üçün
"Bərk Hal Elektronikası"
EW-310 qrupunun tələbəsi Vasiliev Vasili Fedotoviç
Layihənin mövzusu: "Yarımkeçirici lazer"
Layihənin tamamlanması üçün son tarix 2012-ci ilin 15 həftəsidir.
Kurs layihəsinin məzmunu:
- İzahedici qeyd.
Qrafik hissə.
Texniki tapşırıq.
Annotasiya.
Məzmun.
Giriş.
- Təsnifat
Əməliyyat prinsipi
Tarazlıq vəziyyətində və xarici meylli bant diaqramları.
LED-lərin cari gərginlik xarakteristikasının analitik və qrafik təsviri.
Tipik keçid dövrəsinin işinin seçilməsi və təsviri
Seçilmiş sxemin elementlərinin hesablanması.
Biblioqrafik siyahı.
Ərizə.
Tapşırığın verilmə tarixi 10 sentyabr 2012-ci il
Layihə rəhbəri _________________ Şkaev A.G.
Tapşırıq 2012-ci il sentyabrın 10-da icraya qəbul edilib.
EW-310 qrupunun tələbəsi _________________ Vasiliev V.F.
annotasiya
Bu kurs işində yarımkeçirici lazerlərin iş prinsipi, cihazı və əhatə dairəsi müzakirə olunur.
Yarımkeçirici lazer, iş mühiti kimi yarımkeçiricidən istifadə edən bərk hallı lazerdir.
Kurs işi A4 vərəqlərində, 17 səhifə həcmində yerinə yetirilmişdir.Tərkibində 6 şəkil və 1 cədvəl var.
Giriş
1. Təsnifat
2. İş prinsipi
3. Tarazlıq vəziyyətində və xarici əyilmə ilə lent diaqramları
4. Cari gərginlik xarakteristikasının analitik və qrafik təsviri
5. Tipik keçid dövrəsinin işinin seçilməsi və təsviri
6. Seçilmiş sxemin elementlərinin hesablanması
7. Nəticə
8. Biblioqrafik siyahı
9. Ərizə
Giriş
Bu kurs işində yarımkeçirici lazerlərin iş prinsipi, cihazı və əhatə dairəsi nəzərdən keçiriləcək.
"Lazer" termini nisbətən yaxınlarda ortaya çıxdı, lakin görünür, o, çoxdan var idi, o qədər geniş istifadə edildi. Lazerlərin meydana gəlməsi 1950-ci illərin ortalarında yaranmış elmdə prinsipcə yeni istiqamət olan kvant elektronikasının ən diqqətəlayiq və təsirli nailiyyətlərindən biridir.
Lazer (ingiliscə lazer, ingiliscə işıq amplifikasiyası ilə stimullaşdırılan emissiya ilə radiasiya sözünün abbreviaturası - işıq amplifikasiyası stimullaşdırılmış emissiya ilə şüalanma), optik kvant generatoru nasos enerjisini (işıq, elektrik, istilik, kimyəvi və s.) enerjiyə çevirən cihazdır. koherent enerji, monoxromatik, qütbləşmiş və dar istiqamətli şüalanma axını
İlk dəfə məcburi keçid mexanizmindən istifadə edən elektromaqnit şüalanma generatorları 1954-cü ildə sovet fizikləri A.M. Proxorov və N.G. Basov və amerikalı fizik C. Townes 24 GHz tezliyində. Ammonyak aktiv mühit rolunu oynayır.
Optik diapazonun ilk kvant generatoru 1960-cı ildə T.Maiman (ABŞ) tərəfindən yaradılmışdır. İngilis dilində "LightAmplificationbystimulated emissionofradiation" (Light amplification by stimulated emission) ifadəsinin əsas komponentlərinin baş hərfləri yeni cihazın adını təşkil etmişdir - lazer. Radiasiya mənbəyi kimi süni yaqut kristalından istifadə etdi, generator impuls rejimində işləyirdi. Bir il sonra fasiləsiz emissiyaya malik ilk qaz lazeri meydana çıxdı (Javan, Bennett, Eriot - ABŞ). Və bir il sonra SSRİ və ABŞ-da eyni vaxtda yarımkeçirici lazer yaradıldı.
Lazerlərə diqqətin sürətlə artmasının əsas səbəbi, ilk növbədə, bu cihazların müstəsna xüsusiyyətlərindədir.
Lazerin unikal xüsusiyyətləri:
monoxromatik (ciddi monoxromatiklik),
yüksək uyğunluq (salınmaların ardıcıllığı),
işıq radiasiyasının kəskin istiqaməti.
Bir neçə növ lazer var:
yarımkeçirici
bərk vəziyyət
qaz
yaqut
- Təsnifat
Bu cihazlarda daha dar bant boşluğu olan material təbəqəsi daha geniş bant boşluğu olan iki material təbəqəsi arasında sıxışdırılır. Çox vaxt qallium arsenid (GaAs) və alüminium qalium arsenid (AlGaAs) ikiqat heterostruktur əsasında lazerin həyata keçirilməsi üçün istifadə olunur. İki belə müxtəlif yarımkeçiricinin hər bir qovşağına heterostruktur, cihaz isə “ikiqat heterostruktur diodu” (DHS) adlanır. İngilis ədəbiyyatında "ikiqat heterostruktur lazer" və ya "DH lazer" adları istifadə olunur. Məqalənin əvvəlində təsvir edilən dizayn, yalnız bu gün geniş istifadə olunan bu tipdən fərqləri göstərmək üçün "homojunction diode" adlanır.
İkiqat heterostrukturlu lazerlərin üstünlüyü ondan ibarətdir ki, elektronların və dəliklərin birgəyaşayış bölgəsi (“aktiv bölgə”) nazik orta təbəqə ilə əhatə olunmuşdur. Bu o deməkdir ki, daha çox elektron dəlik cütləri qazanc əldə etməyə kömək edəcək - onların çoxu aşağı qazanc bölgəsində periferiyada qalmayacaq. Bundan əlavə, işıq hetero-qovşaqların özündən əks olunacaq, yəni radiasiya tamamilə maksimum effektiv gücləndirmə bölgəsinə daxil olacaqdır.
kvant quyusu diodu
DHS diodunun orta təbəqəsi daha da nazikləşdirilərsə, belə bir təbəqə kvant quyusu kimi işləməyə başlayacaq. Bu o deməkdir ki, şaquli istiqamətdə elektronların enerjisi kvantlanmağa başlayacaq. Kvant quyularının enerji səviyyələri arasındakı fərq potensial maneə əvəzinə radiasiya yaratmaq üçün istifadə edilə bilər. Bu yanaşma orta təbəqənin qalınlığından asılı olacaq radiasiya dalğa uzunluğunu idarə etmək baxımından çox səmərəlidir. Emissiya prosesində iştirak edən elektronların və deşiklərin sıxlığından asılılığın daha vahid paylanmasına malik olması səbəbindən belə bir lazerin səmərəliliyi bir qatlı lazerlə müqayisədə daha yüksək olacaqdır.
Ayrı-ayrı qapalı heterostruktur lazerlər
İncə qatlı heterostruktur lazerlərinin əsas problemi işığın effektiv şəkildə məhdudlaşdırılmasının qeyri-mümkünlüyüdür. Bunu aradan qaldırmaq üçün kristalın hər iki tərəfinə daha iki qat əlavə olunur. Bu təbəqələr mərkəzi təbəqələrlə müqayisədə daha aşağı sınma indeksinə malikdir. Bu işıq bələdçisinə bənzər quruluş işığı daha effektiv saxlayır. Bu cihazlara "ayrı-ayrılıqda qapalı heterostruktur" (SCH) heterostrukturları deyilir.
1990-cı ildən istehsal edilən yarımkeçirici lazerlərin əksəriyyəti bu texnologiyadan istifadə etməklə hazırlanır.
Paylanmış əks əlaqə lazerləri
Paylanmış rəy (DFB) lazerləri çox tezlikli fiber optik rabitə sistemlərində ən çox istifadə olunur. Dalğa uzunluğunu sabitləşdirmək üçün p-n qovşağının bölgəsində difraksiya ızgarasını meydana gətirən eninə bir çentik yaradılır. Bu çentik sayəsində yalnız bir dalğa uzunluğuna malik radiasiya rezonatora qayıdır və sonrakı gücləndirmədə iştirak edir. DFB lazerləri istehsal mərhələsində çentik meydançası ilə müəyyən edilən sabit radiasiya dalğa uzunluğuna malikdir, lakin temperaturun təsiri altında bir qədər dəyişə bilər. Belə lazerlər müasir optik telekommunikasiya sistemlərinin əsasını təşkil edir.
VCSEL
VCSEL - "Vertical Cavity Surface Emitting Lazer" səthə paralel müstəvidə şüalanan adi lazer diodlarından fərqli olaraq kristal səthinə perpendikulyar istiqamətdə işıq yayan yarımkeçirici lazerdir.
VECSEL
VECSEL - "Vertical External Cavity Surface Emitting Lazer". Dizayn baxımından VCSEL-ə bənzəyir, lakin xarici rezonatorla. Həm cərəyanla, həm də optik nasosla həyata keçirilə bilər.
- Əməliyyat prinsipi
Bununla belə, müəyyən şərtlərdə rekombinasiyadan əvvəl bir elektron və bir dəlik kifayət qədər uzun müddət (mikrosaniyələrə qədər) kosmosun eyni bölgəsində ola bilər. Əgər bu anda istədiyiniz (rezonanslı) tezlikli bir foton kosmosun bu bölgəsindən keçərsə, ikinci fotonun buraxılması ilə məcburi rekombinasiyaya səbəb ola bilər və onun istiqaməti, qütbləşmə vektoru və fazası birincinin eyni xüsusiyyətlərinə tam uyğun olacaq. foton.
Lazer diodunda yarımkeçirici kristal çox nazik düzbucaqlı boşqab şəklində hazırlanır. Belə bir boşqab mahiyyətcə optik dalğa ötürücüdür, burada radiasiya nisbətən kiçik bir məkanda məhdudlaşır. Kristalın üst təbəqəsi n bölgəsini yaratmaq üçün aşqarlanır, alt təbəqədə isə p bölgəsi yaradılır. Nəticə böyük bir sahənin düz p-n qovşağıdır. Kristalın iki tərəfi (ucları) Fabry-Perot rezonatoru adlanan optik rezonator meydana gətirən hamar paralel təyyarələr yaratmaq üçün cilalanır. Bu müstəvilərə perpendikulyar olaraq buraxılan təsadüfi bir spontan emissiya fotonu bütün optik dalğa ötürücüsünü keçəcək və çıxmazdan əvvəl uclarından bir neçə dəfə əks olunacaq. Rezonator boyunca keçərək, stimullaşdırılmış rekombinasiyaya səbəb olacaq, eyni parametrlərlə getdikcə daha çox foton yaradacaq və radiasiya gücləndiriləcək (stimullaşdırılmış emissiya mexanizmi). Qazanc itkini üstələyən kimi lazer generasiyası başlayacaq.
Lazer diodları bir neçə növ ola bilər. Onların əsas hissəsində təbəqələr çox nazik hazırlanır və belə bir quruluş yalnız bu təbəqələrə paralel istiqamətdə şüalanma yarada bilər. Digər tərəfdən, dalğa bələdçisi dalğa uzunluğuna nisbətən kifayət qədər geniş olarsa, o, artıq bir neçə eninə rejimdə işləyə bilər. Belə bir diod çox rejimli adlanır (İngiliscə "multi-mode"). Bu cür lazerlərin istifadəsi cihazdan yüksək radiasiya gücü tələb olunduğu və yaxşı şüa yaxınlaşması şərtinin təyin edilmədiyi hallarda mümkündür (yəni onun əhəmiyyətli dərəcədə səpilməsinə icazə verilir). Belə tətbiq sahələri: printerlər, kimya sənayesi, digər lazerlərin vurulması. Digər tərəfdən, yaxşı bir şüa fokuslanması tələb olunarsa, dalğa ötürücüsünün eni radiasiyanın dalğa uzunluğu ilə müqayisə edilə bilən olmalıdır. Burada şüanın eni yalnız difraksiya tərəfindən qoyulan məhdudiyyətlərlə müəyyən ediləcək. Bu cür cihazlar optik saxlama cihazlarında, lazer təyinedicilərində, həmçinin lif texnologiyasında istifadə olunur. Bununla belə, qeyd etmək lazımdır ki, belə lazerlər bir neçə uzununa rejimi dəstəkləyə bilməz, yəni eyni vaxtda müxtəlif dalğa uzunluqlarında emissiya edə bilməzlər.
Lazer diodunun radiasiya dalğa uzunluğu yarımkeçiricinin p- və n-bölgələrinin enerji səviyyələri arasındakı bant boşluğundan asılıdır.
Şüalanma elementinin olduqca nazik olması səbəbindən diodun çıxışındakı şüa difraksiya səbəbindən demək olar ki, dərhal ayrılır. Bu təsiri kompensasiya etmək və nazik bir şüa əldə etmək üçün birləşən linzalardan istifadə etmək lazımdır. Silindrik linzalar çox rejimli geniş lazerlər üçün ən çox istifadə olunur. Tək rejimli lazerlər üçün simmetrik linzalardan istifadə edərkən şüa bölməsi elliptik olacaq, çünki şaquli müstəvidəki fərq üfüqi müstəvidəki fərqi üstələyir. Bu, lazer göstərici şüasının nümunəsində ən aydın şəkildə görünür.
Yuxarıda təsvir edilən ən sadə cihazda, optik rezonatorun dəyər xarakteristikası istisna olmaqla, tək bir dalğa uzunluğunu təcrid etmək mümkün deyil. Bununla belə, bir neçə uzununa rejimi olan cihazlarda və kifayət qədər geniş tezlik diapazonunda radiasiyanı gücləndirə bilən materialda bir neçə dalğa uzunluğunda işləmək mümkündür. Bir çox hallarda, o cümlədən ən çox görünən lazerlər, onlar bir dalğa uzunluğunda işləyirlər, lakin bu, güclü qeyri-sabitliyə malikdir və bir çox amillərdən asılıdır - cari gücün dəyişməsi, ətraf mühitin temperaturu və s. Son illərdə ən sadə lazerin dizaynı yuxarıda təsvir edilən diod çoxsaylı təkmilləşdirmələrə məruz qalmışdır ki, onlara əsaslanan qurğular müasir tələblərə cavab verə bilsin.
- Tarazlıq Vəziyyətində və Xarici Qərəzlikdə Qrup Diaqramları
biz keçiricilik zolağı (və ya valent bandı vasitəsilə deşiklər) vasitəsilə yayılırıq, cari axının inyeksiya xarakteri baş verir (bax. Şəkil 1).
düyü. 1: p-n qovşağının diaqramı: a) qərəzsiz, b) müsbət meylli.
Həddi cərəyan sıxlığını azaltmaq üçün heterostrukturlara əsaslanan lazerlər həyata keçirildi (bir heteroqovuşma ilə – n-GaAs–pGe, p-GaAs–nAlxGa1-xAs; iki heteroqovşaq ilə – n-AlxGa1-xAs – p-GaAs – p-GaAs). AlxGa1-xAs.Heteroqovuşmanın istifadəsi yüngül qatqılı lazer diod emitteri ilə birtərəfli inyeksiyanı həyata keçirməyə və həddi cərəyanı əhəmiyyətli dərəcədə azaltmağa imkan verir.Sxematik olaraq, ikiqat heteroqovuşmaya malik belə lazerin tipik dizaynlarından biri aşağıda göstərilmişdir. Şəkil 1. İki heteroqovşaqlı strukturda daşıyıcılar aktiv d regionunun daxilində cəmləşib, hər iki tərəfdən potensial maneələrlə məhdudlaşır radiasiya da onun hüdudlarından kənarda qırılma göstəricisinin sıçrayış kimi azalması səbəbindən bu bölgə ilə məhdudlaşır. Bu məhdudiyyətlər stimullaşdırılmış şüalanmanın güclənməsinə və müvafiq olaraq, eşik cərəyan sıxlığının azalmasına kömək edir.Heteroqovuşma bölgəsində dalğa ötürücü effekti, lazer şüalanması isə heteroqovuşmaya paralel bir müstəvidə baş verir.
Şəkil 1
İkiqat heteroqovuşmaya əsaslanan yarımkeçirici lazerin zolaq diaqramı (a, b, c) və quruluşu (d)
a) lazer qoşa n–p–p+ heterostrukturunda təbəqələrin növbələşməsi;
b) sıfır gərginlikdə ikiqat heterostrukturun lent diaqramı;
c) lazer şüalanmasının aktiv rejimində ikili heterostrukturun lazer diaqramı;
d) lazer diodunun cihaz tətbiqi Al0.3Ga0.7As (p) - GaAs (p) və GaAs (n) - Al0.3Ga0.7As (n), aktiv bölgə GaAs (n) təbəqəsidir.
Aktiv bölgə yalnız 0,1-0,3 µm qalınlığında n-GaAs təbəqəsidir. Belə bir quruluşda, homoqovuşmaya əsaslanan cihazla müqayisədə eşik cərəyanının sıxlığını demək olar ki, iki böyüklük (~103 A/sm2) azaltmaq mümkün idi. Nəticədə lazer otaq temperaturunda fasiləsiz işləyə bildi. Eşik cərəyanının sıxlığının azalması optimum olması səbəbindən baş verir
s..............................
RUSİYA TƏHSİL VƏ ELM NAZİRLİYİ
muxtar dövlət büdcəli təhsil müəssisəsi
ali peşə təhsili
“Sankt-Peterburq Dövlət Elektrotexnika Universiteti
onlara "LETI". VƏ. Ulyanov (Lenin)"
(SPbGETU)
ELEKTRONİKA FAKÜLTƏSİ
SƏDR MİKRO- VƏ NANOELEKTRONİKA
YARIMKEÇİRİCİ OPTOELEKTRONİK CİHAZLAR
Kurs işi
FOCL III nəslində istifadə üçün yarımkeçirici heterolazerin hazırlanması.
yerinə yetirildi
tələbə gr. № 0282 Yoxlanılıb: Tarasov S.A.
Stepanov E.M.
SANKT-PETERBURQ
2015
Giriş 3
III nəsil 4
2 Hesablaşma 8-ci hissə
2.1 Strukturun seçilməsi və onun parametrlərinin hesablanması 8
2.2 Rezonatorun DF-nin hesablanması 11
2.3 Daxili kvant məhsuldarlığının hesablanması 11
2.4 Optik məhdudiyyətin hesablanması 12
2.5 Eşik cərəyanının hesablanması 12
2.6 Vatt-amper xarakteristikalarının hesablanması 13
2.7 Rezonatorun parametrlərinin hesablanması 14
2.8 Digər təbəqələrin seçilməsi 14
3 Kristal quruluş 16
Nəticə 19
İstifadə olunan mənbələrin siyahısı 21
Giriş
Fiber-optik rabitə xətləri üçün şüalanma mənbələri kimi yarımkeçirici bərk məhlullar əsasında lazer diodlarından istifadə etmək məqsədəuyğundur. Bu yazıda biz fiber-optik rabitə xətləri üçün üçüncü və beşinci qrup birləşmələri əsasında yarımkeçirici lazer strukturunun hesablanması variantını təqdim edirik. III nəsil.
1 Fiber optik rabitə xətləri III nəsil.
Fiber-optik rabitə xətti (FOCL)məlumat ötürmək üçün bir sistemdir. Belə bir sistemdə məlumat daşıyıcısı fotondur. O, işıq sürəti ilə hərəkət edir ki, bu da informasiyanın ötürülmə sürətinin artırılması üçün ilkin şərtdir. Belə bir sistemin əsas komponentləri ötürücü, optik lif, qəbuledici, təkrarlayıcı (R), gücləndirici (U)dur (şəkil 1).
Şəkil 1 - Fiber-optik rabitə xəttinin struktur diaqramı.
Həmçinin zəruri elementlər kodlayıcı (KU) və dekoderdir (DKU). Transmitter, ümumiyyətlə, radiasiya mənbəyi (IS) və modulyatordan (M) ibarətdir. İnformasiyanın ötürülməsinin digər üsulları ilə müqayisədə fiber-optiklər ilk növbədə məlumatın uzun məsafələrə ötürülməsinə imkan verən aşağı itkilərdə müsbət şəkildə fərqlənir. İkinci ən vacib parametr böyük ötürmə qabiliyyətidir. Yəni, digər şeylər bərabər olduqda, bir fiber-optik kabel, məsələn, on elektrik kabeli qədər məlumat ötürə bilər. Digər vacib məqam, bir neçə fiber optik xəttin bir kabeldə birləşdirilməsinin mümkünlüyüdür və bu, elektrik xətləri üçün problemli olan səs-küy toxunulmazlığına təsir göstərməyəcəkdir.
Transmitterlər adətən elektrik şəklində verilən orijinal siqnalı optik diapazonun elektromaqnit dalğasına çevirmək üçün nəzərdə tutulmuşdur. Diodlar, lazer diodları və lazerlər ötürücü kimi istifadə edilə bilər. Birinci nəsil ötürücülərə 0,85 mikron dalğa uzunluğunda işləyən işıq yayan diod daxildir. İkinci nəsil ötürücülər 1,3 µm dalğa uzunluğunda işləyir. Üçüncü nəsil ötürücülər 1982-ci ildə dalğa uzunluğu 1,55 µm olan lazer diodlarında həyata keçirildi. Lazerlərin ötürücü kimi istifadəsi bir sıra üstünlüklərə malikdir. Xüsusilə, emissiya stimullaşdırıldığı üçün güc çıxışı artır. Həmçinin, lazer şüalanması istiqamətləndirilir ki, bu da optik liflərdə qarşılıqlı təsirin səmərəliliyini artırır. Dar spektral xətt genişliyi rəng dispersiyasını azaldır və ötürmə sürətini artırır. Hər bir impuls zamanı bir uzununa rejim rejimində sabit işləyən bir lazer yaratsanız, məlumat ötürmə qabiliyyətinin dəyərini artıra bilərsiniz. Buna nail olmaq üçün paylanmış əks əlaqəyə malik lazer strukturlarından istifadə etmək olar.
FOCL-in növbəti elementi optik lifdir. İşığın optik lifdən keçməsi ümumi daxili əksin təsiri ilə təmin edilir. Və müvafiq olaraq, mərkəzi hissədən ibarətdir - bir nüvə və daha aşağı optik sıxlığı olan bir materialdan hazırlanmış bir qabıq. Lif vasitəsilə yayıla bilən dalğa növlərinin sayına görə, onlar multimod və tək rejimə bölünür. Tək rejimli liflər daha yaxşı zəifləmə və bant genişliyi xüsusiyyətlərinə malikdir. Lakin onların çatışmazlıqları tək rejimli xətlərin diametrinin bir neçə mikrometr səviyyəsində olması ilə bağlıdır. Bu, radiasiya və splicing tətbiqini çətinləşdirir. Çox rejimli nüvənin diametri onlarla mikrometrdir, lakin onların bant genişliyi bir qədər kiçikdir və onlar uzun məsafələrə yayılmaq üçün uyğun deyildir.
İşıq lif vasitəsilə yayıldıqca zəifləyir. Təkrarlayıcılar (şəkil 2 a) kimi cihazlar optik siqnalı elektrik siqnalına çevirir və ötürücüdən istifadə edərək onu artıq daha böyük intensivliklə xətt boyunca daha da irəli göndərir.
Şəkil 2 - Qurğuların sxematik təsviri a) təkrarlayıcı və b) gücləndirici.
Gücləndiricilər optik siqnalın özünü birbaşa gücləndirdikləri fərqlə eyni şeyi edirlər. Təkrarlayıcılardan fərqli olaraq, onlar siqnalı düzəltmirlər, ancaq həm siqnalı, həm də səs-küyü gücləndirirlər. İşıq lifdən keçdikdən sonra yenidən elektrik siqnalına çevrilir. Bu qəbuledici tərəfindən edilir. Bu adətən yarımkeçirici əsasında fotodioddur.
FOCL-in müsbət tərəflərinə aşağı siqnal zəifləməsi, geniş bant genişliyi və yüksək səs-küy toxunulmazlığı daxildir. Lif dielektrik materialdan hazırlandığından, ətrafdakı mis kabel sistemləri və elektromaqnit şüalanmasına səbəb ola bilən elektrik avadanlıqlarından elektromaqnit müdaxiləsinə qarşı immunitetlidir. Çox lifli kabellər həmçinin çox cüt mis kabellərin malik olduğu elektromaqnit çarpazlıq probleminin qarşısını alır. Çatışmazlıqlar arasında optik lifin kövrəkliyini, quraşdırmanın mürəkkəbliyini qeyd etmək lazımdır. Bəzi hallarda mikron dəqiqliyi tələb olunur.Optik lif Şəkil 3-də göstərilən udma spektrinə malikdir.
Şəkil 3 - Optik lifin udma spektri.
FOCL III nəsil 1,55 mikron dalğa uzunluğunda məlumat ötürülməsini həyata keçirdi. Spektrdən göründüyü kimi, bu dalğa uzunluğunda udma ən kiçikdir, təxminən 0,2 desibel/km-dir.
2 Təxmini hissə.
2.1 Quruluşun seçimi və onun parametrlərinin hesablanması.
Möhkəm həll seçimi. Bərk məhlul kimi dördüncü birləşmə seçilmişdir Ga x In 1- x P y As 1- y . Bant boşluğu aşağıdakı kimi hesablanır:
(2.1)
Bu bərk məhlul üçün izoperiodik substrat substratdır InP . Bərk məhlul növü üçün A x B 1- x C y D 1- y ilkin komponentlər ikili birləşmələr olacaq: 1 - AC; 2 - eramızdan əvvəl; 3 - AD; 4-BD . Enerji boşluqlarının hesablanması aşağıdakı düstura görə aparılır.
E (x, y) \u003d E 4 + (E 3 - E 4) x + (E 2 - E 4) y + (E 1 + E 4 - E 2 - E 3) xy -
– y(1-y) – x(1-x) , (2.2)
harada E n ikili birləşmənin Brilyuen zonasında verilmiş nöqtədə enerji boşluğudur; c mn ikili birləşmələrin yaratdığı üçkomponentli bərk məhlul üçün qeyri-xəttilik əmsallarıdır m və n.
Cədvəl 1 və 2 ikili birləşmələr, dördüncü birləşmələr üçün enerji boşluqlarının dəyərlərini və temperaturu nəzərə almaq üçün lazımi əmsalları göstərir. Bu vəziyyətdə temperatur seçilmişdir T=80°C=353K.
Cədvəl 1 - Binar birləşmələrin enerji boşluqları.
|
E ilə T |
||||||||||||
|
2,78 |
2,35 |
2,72 |
0,65 |
0,577 |
0,577 |
2,6803 |
2,2507 |
2,6207 |
||||
|
1,4236 |
2,384 |
2,014 |
0,363 |
0,37 |
0,363 |
1,3357 |
2,2533 |
1,9261 |
||||
|
GaAs |
1,519 |
1,981 |
1,815 |
0,541 |
0,46 |
0,605 |
1,3979 |
1,878 |
1,6795 |
|||
|
InAs |
0,417 |
1,433 |
1,133 |
0,276 |
0,276 |
0,276 |
0,338 |
1,3558 |
1,0558 |
|||
Cədvəl 2 - Dördlü birləşmələrin enerji boşluqları.
|
GaInPAs |
ASC |
0,7999 |
1,379 |
1,3297 |
|
OOO |
0,9217 |
|||
|
OE |
1,0916 |
Kompozisiyanın tələb olunan dəyərlərinin seçimi nisbətə uyğun olaraq həyata keçirilir x və y aşağıda. Bütün bölgələr üçün əldə edilmiş kompozisiya dəyərləri: aktiv, dalğa ötürücü və emitent bölgələr Cədvəl 5-də ümumiləşdirilmişdir.
Optik qapalı bölgənin və emitent bölgənin tərkibinin hesablanmasında zəruri şərt, zolaq boşluğundakı fərqin ən azı 4 fərqli olması idi. kT.
Dördlü birləşmənin qəfəs müddəti aşağıdakı düsturla hesablanır:
a (x,y) = xya 1 + (1-x)ya 2 + x(1-y)a 3 + (1-x)(1-y)a 4 , (2.4)
burada 1 - a 4 müvafiq ikili birləşmələrin qəfəs dövrləridir. Onlar cədvəl 3-də təqdim olunur.
Cədvəl 3 - İkili birləşmələrin qəfəslərinin dövrləri.
|
a, A |
||
|
5,4509 |
||
|
5,8688 |
||
|
GaAs |
5,6532 |
|
|
InAs |
6,0584 |
Dördlü birləşmələr üçün GaInPAs bütün bölgələr üçün ızgara dövrlərinin dəyərləri Cədvəl 5-də ümumiləşdirilmişdir.
Kırılma əmsalı aşağıda verilmiş əlaqədən istifadə etməklə hesablanmışdır.
(2.5)
burada tələb olunan parametrlər Cədvəl 4-də təqdim olunur.
Cədvəl 4 - Kırılma göstəricisinin hesablanması üçün ikili və dördüncü birləşmələrin parametrləri.
|
2,7455 |
3,6655 |
5,2655 |
0,42 |
31,4388 |
160,537 |
||
|
1,3257 |
2,7807 |
5,0807 |
0,604 |
26,0399 |
128,707 |
||
|
GaAs |
1,4062 |
2,8712 |
4,9712 |
0,584 |
30,0432 |
151,197 |
|
|
InAs |
0,3453 |
2,4853 |
4,6853 |
1,166 |
14,6475 |
167,261 |
|
|
GaInPAs |
ASC |
0,8096 |
2,574 |
4,7127 |
0,8682 |
21,8783 |
157,1932 |
|
OOO |
0,9302 |
2,6158 |
4,7649 |
0,8175 |
22,4393 |
151,9349 |
|
|
OE |
1,0943 |
2,6796 |
4,8765 |
0,7344 |
23,7145 |
142,9967 |
Dalğa istiqaməti bölgəsi üçün sındırma əmsalı elə seçilmişdir ki, emitent bölgənin sındırma indeksindən ən azı bir faiz fərqlənsin.
Cədvəl 5 - İş yerlərinin əsas parametrləri.
|
ASC |
OOO |
OE |
|||||
|
0,7999 |
0,9218 |
1,0917 |
|||||
|
0,371 |
0,2626 |
0,1403 |
|||||
|
0,1976 |
0,4276 |
0,6914 |
|||||
|
a(x,y) |
5,8697 |
a(x,y) |
5,8695 |
a(x,y) |
5,8692 |
||
|
Δa, % |
0,0145 |
Δa, % |
0,0027 |
Δa, % |
0,0046 |
||
|
3,6862 |
3,6393 |
3,5936 |
|||||
|
Δn, % |
1,2898 |
Δn, % |
1,2721 |
||||
|
0,1217 |
0,1218 |
0,1699 |
|||||
2.2 ROS rezonatorunun hesablanması.
ROS rezonatorunun əsasını sonrakı dövrə malik difraksiya ızgaraları təşkil edir.
Beləliklə əldə edilən ızgara müddəti 214 nm-dir. Aktiv bölgə ilə emitent bölgə arasındakı təbəqənin qalınlığı dalğa uzunluğunun qalınlığına uyğun olaraq seçilir, yəni 1550 nm.
2.3 Daxili kvant məhsuldarlığının hesablanması.Kvant məhsuldarlığının dəyəri radiasiya və qeyri-radiativ keçidlərin ehtimalı ilə müəyyən edilir.
Daxili kvant məhsuldarlığının qiyməti η i = 0,9999.
Radiasiya müddəti kimi müəyyən ediləcək
(
burada R \u003d 10 -10 sm 3 /s rekombinasiya əmsalıdır, p o \u003d 10 15 sm -3 tarazlıq yük daşıyıcılarının konsentrasiyasıdır, Δ n \u003d 1.366 * 10 25 sm -3 və hesablanmışdır
burada n N = 10 18 sm -3 emitentdə tarazlıq yük daşıyıcılarının konsentrasiyasıdır, Δ Ec = 0,5 eV AO və GE-nin bant boşluğu arasındakı fərqdir.
Radiasiya müddəti τ və \u003d 7.3203 * 10 -16 ilə. Radiasiya müddəti τ və \u003d 1 * 10 -7 ilə. Qeyri-radiasiya müddəti kimi müəyyən ediləcək
burada C \u003d 10 -14 s * m -3 sabitdir, N l \u003d 10 21 m -3 tələlərin konsentrasiyasıdır.
2.4 Optik məhdudiyyətin hesablanması.
Azaldılmış aktiv təbəqə qalınlığı D = 10.4817:
Optik qapalılıq faktoru G= 0.9821:
Bizim vəziyyətimiz üçün aktiv bölgənin qalınlığı ilə əlaqəli əlavə əmsalı hesablamaq da lazımdır r= 0.0394:
harada d n = 1268.8997 nm yaxın zonada ləkə ölçüsüdür, kimi müəyyən edilir
2.5 Eşik cərəyanının hesablanması.
Güzgü əks etdirmə R = 0,3236:
Eşik cərəyanının sıxlığını aşağıdakı düsturla hesablamaq olar:
burada β = 7*10 -7 nm -1 radiasiya enerjisinin səpilməsi və udulması üçün paylanmış itkilərin əmsalıdır.
Eşik cərəyanı sıxlığı j sonra \u003d 190.6014 A / sm 2.
Eşik cərəyanı I = j thr WL = 38.1202 mA.
2.6 Vatt-amper xarakteristikası və səmərəliliyin hesablanması.
Güc həddi P-dən = 30,5242 mVt-a qədər.
Eşikdən sonra güc P psl = 244,3889 mVt.
Əncirdə. 4 çıxış gücünün cərəyana qarşı qrafikidir.
Şəkil 4 - Çıxış gücünün cərəyandan asılılığı.
Effektivliyin hesablanması η = 0,8014
səmərəlilik =
Diferensial səmərəlilik η d = 0,7792
2.7 Rezonatorun parametrlərinin hesablanması.
Tezlik fərqi Δν q = 2,0594*10 11 Hz.
Δν q \u003d ν q - ν q -1 \u003d
Eksenel rejimlərin sayı N balta = 71
N ax =
Qeyri-oxlu vibrasiyalar Δν m = 1,236*10 12 Hz.
Δνm =
Rezonatorun keyfiyyət amili Q=5758.0722
Rezonans xəttinin eni Δν p = 3.359*10 10 Hz.
Δν p =
Lazer şüasının divergensiyası = 0,0684°.
burada Δλ emissiya xəttinin spektral enidir, m difraksiya sırasıdır (bizim vəziyyətimizdə birinci), b qəfəs dövrüdür.
2.8 Digər təbəqələrin seçilməsi.
Yaxşı ohmik əlaqəni təmin etmək üçün strukturda yüksək qatqılı bir təbəqə təmin edilir ( N = 10 19 sm -3 ) qalınlığı 5 µm. Üst əlaqə şəffafdır, çünki radiasiya onun vasitəsilə substrata perpendikulyar olur. Bir substratda yetişdirilən strukturları yaxşılaşdırmaq üçün bir tampon təbəqəsindən istifadə etmək üstünlük təşkil edir. Bizim vəziyyətimizdə bufer təbəqəsi 5 µm qalınlığındadır. Kristalın özünün ölçüləri aşağıdakı kimi seçilmişdir: qalınlıq 100 µm, eni 100 µm, uzunluq 200 µm. Strukturun bütün təbəqələri ilə ətraflı təsviri Şəkil 5-də təqdim edilmişdir. Bütün təbəqələrin enerji boşluqları, sındırma göstəriciləri və qatqı səviyyələri kimi parametrləri müvafiq olaraq Şəkil 6,7,8-də verilmişdir.
Şəkil 6 - Quruluşun enerji diaqramı.
Şəkil 7 - Quruluşun bütün təbəqələrinin sındırma göstəriciləri.
Şəkil 8 - Quruluşun təbəqələrinin dopinqlənmə səviyyələri.
Şəkil 9 - Bərk məhlulların seçilmiş kompozisiyaları.
Nəticə
Hazırlanmış yarımkeçirici lazer ilkin olaraq göstərilənləri aşan xüsusiyyətlərə malikdir. Beləliklə, hazırlanmış lazer strukturunun eşik cərəyanı 38,1202 mA təşkil etmişdir ki, bu da göstərilən 40 mA-dan aşağıdır. Çıxış gücü də kifayət qədər aşdı - 5-ə qarşı 30,5242 mVt.
Qatı məhlul əsasında hesablanmış aktiv bölgə tərkibi GaInPAs substrat üçün izoperiodikdir InP , griting dövrünün fərqi 0,0145% təşkil edib. Öz növbəsində, növbəti təbəqələrin qəfəs dövrləri də 0,01%-dən çox olmamaqla fərqlənir (Cədvəl 5). Bu, əldə edilmiş strukturun texnoloji məqsədəuyğunluğu üçün ilkin şərt təmin edir, həmçinin heterointerfeysdə böyük kompensasiya edilməmiş dartılma və ya sıxılma qüvvələrinin görünməsinin qarşısını alaraq strukturun qüsurlarını azaltmağa kömək edir. Optik məhdudiyyət bölgəsində bir elektromaqnit dalğasının lokalizasiyasını təmin etmək üçün OOO və OE-nin qırılma göstəricilərində ən azı bir faiz fərq tələb olunur; bizim vəziyyətimizdə bu dəyər 1,2721% təşkil etdi, bu qənaətbəxş nəticədir, lakin bu parametrin daha da təkmilləşdirilməsi mümkün deyil, çünki sonrakı yerdəyişmə qeyri-mümkündür.izoperiod üzrə. Həmçinin, lazer strukturunun işləməsi üçün zəruri şərt aktiv bölgədə elektronların lokalizasiyasını təmin etməkdir ki, onların sonrakı stimullaşdırılmış emissiya ilə həyəcanlanması mümkün olsun, bu, OOO və zonalar arasında boşluq olması şərtilə həyata keçiriləcəkdir. AO 4-dən böyükdür kT (tamamlandı - Cədvəl 5).
Alınan strukturun optik qapalılıq əmsalı 0,9821 idi, bu dəyər birliyə yaxındır, lakin onu daha da artırmaq üçün optik qapalı bölgənin qalınlığını artırmaq lazımdır. Üstəlik, MMC-nin qalınlığının bir neçə dəfə artması optik məhdudiyyət əmsalında bir az artım verir, buna görə də MMC-nin optimal qalınlığı kimi radiasiya dalğa uzunluğuna yaxın bir dəyər, yəni 1550 nm seçildi. .
Daxili kvant məhsuldarlığının yüksək dəyəri (99,9999%) az sayda qeyri-radiativ keçidlə bağlıdır ki, bu da öz növbəsində strukturun aşağı qüsurluluğunun nəticəsidir. Diferensial səmərəlilik strukturun səmərəliliyinin ümumiləşdirilmiş xarakteristikasıdır və radiasiya enerjisinin səpilməsi və udulması kimi prosesləri nəzərə alır. Bizdə isə bu, 77,92% təşkil edib.
Keyfiyyət əmsalının əldə edilmiş qiyməti 5758.0722 olmuşdur ki, bu da rezonatorda itkilərin aşağı səviyyəsini göstərir. Kristalın kristalloqrafik müstəviləri boyunca parçalanmalarla əmələ gələn təbii rezonator 32,36% güzgü əks etdirmə qabiliyyətinə malik olduğundan, onun böyük itkiləri olacaq. Paylanmış rəy rezonatorun əsası kimi istifadə edilə bilər ki, bu da işıq dalğalarının MMC-nin sərhədində yaradılmış dövri ızgara üzərində Bragg əksinin təsirinə əsaslanır. Hesablanmış ızgara dövrü 214,305 nm idi ki, bu da 100 μm kristal eni ilə təxminən 470 dövr yaratmağa imkan verir. Dövrlərin sayı nə qədər çox olarsa, əks etdirmə bir o qədər səmərəli olar. DFB rezonatorunun digər üstünlüyü onun yüksək dalğa boyu seçiciliyinə malik olmasıdır. Bu, müəyyən bir tezlikdə radiasiya çıxarmağa imkan verir, yarımkeçirici lazerlərin əsas çatışmazlıqlarından birini - radiasiya dalğa uzunluğunun temperaturdan asılılığını aradan qaldırmağa imkan verir. Həmçinin, ROS-un istifadəsi müəyyən bir açıda radiasiya çıxarmaq imkanını təmin edir. Bəlkə də bu, 0,0684 ° təşkil edən çox kiçik fərq bucağının səbəbi idi. Bu halda, radiasiya substrata perpendikulyar olaraq verilir, bu, ən yaxşı seçimdir, çünki o, həm də ən kiçik divergensiya bucağına kömək edir.
Orijinal mənbələrin siyahısı
1. Pikhtin A.N. Optik və kvant elektronikası: Proc. Universitetlər üçün [Mətn] / A.N. Pikhtin. - M .: Daha yüksək. məktəb, 2001. - 573 s.
2. Tarasov S.A., Pixti A.N. Yarımkeçirici optoelektronik cihazlar. Maarifləndirici müavinət. SPb. : Sankt-Peterburq Elektrotexnika Universitetinin "LETI" nəşriyyatı. 2008. 96 s.
3. A.F. adına Fizika-Texniki İnstitutu. Rusiya Elmlər Akademiyasının İoffe [Elektron resurs] - Giriş rejimi: http://www. ioffe. az / SVA / NSM / Yarımsaniyə /
SƏHİFƏ \* BİRLEŞTİRİLMİŞ FORMAT 1