موضوع : مقاله ارتباط بین طیف خروجی و کاواک در لیزر نیمه هادی

این فایل با فرمت word و قابل ویرایش میباشد

این فایل همراه با تصاویر میباشد

فهرست مطالب

عنوان                                                                                              صفحه

چكيده

فصل اول

مقدمه اي بر ليزر (مباني ليزر)

مقدمه...................................................................................................................... 2

هدف....................................................................................................................... 3

شباهت و تفوت ليزر نيمه هادي با ساير ليزرها............................................................ 4

1-1- خواص بار يكه ليزر......................................................................................... 5

1-2- انواع ليزر........................................................................................................ 7

1-3- واروني انبوهي ............................................................................................... 9

1-3-1- برهمكنش امواج الكترومغناطيسي با اتم.......................................................... 12

1-3-2- فرايندهاي تاثيرگذار بر غلظت اتمها در حالت هاي مختلف............................. 13

1-3-3- بررسي احتمال گذارها و معادلات تعادلي...................................................... 14

1-4- پهن شدگي طيفي و انواع آن............................................................................ 15

1-5- انواع كاواك نوري (فيدبك).............................................................................. 19

1-6- برهم نهي امواج الكترومغناطيسي....................................................................... 22

1-6-1- فاكتور كيفيت براي ابزارهاي نوري Q............................................................ 24

1-6-2- انواع تشديدگرهاي نوري و كاربرد آن........................................................... 25

فصل دوم

ليزر نيمه هادي و انواع ساختار آن

2-1- مواد نيمه هادي................................................................................................ 27

2-2- بازده گسيل خودبخودي................................................................................... 30

2-3- انواع بازتركيب................................................................................................ 31

2-4- گاف انرژي و انواع آن..................................................................................... 33

2-5- واروني انبوهي و روش پمپاژ در ليزر نيمه هادي................................................ 35

2-6- اتصال p- nاولين تحقق ليزر نيمه هادي ............................................................ 37

2-7- انواع ساختارها................................................................................................ 39

2-7-1- روشهاي گسيل نور در ليزر نيمه هادي........................................................... 40

2-7-2- ليزر با ساختار تخت.................................................................................... 40

2-7-3- مشكلات ليزر پيوندي همجنس..................................................................... 41

2-7-4- ليزرهاي پيوندي غيرهمجنس........................................................................ 42

2-7-5- رابطه جريان و خروجي در ليزر تخت........................................................... 43

2-8- ساختار DFB.................................................................................................... 44

2-8-1- طيف خروجي از ليزر DFB........................................................................... 45

2-9- تاثيرات دما به طيف گسيلي ساختارها................................................................ 46

2-10- مختصري راجع به بحث نوري........................................................................ 48

2-11- ليزرهاي نيمه هادي و ديودهاي نور گسيل........................................................ 51

2-12- جريان آستانه –خروجي................................................................................ 55

2-13- روشهاي بهبود و افزايش بازده كوانتومي داخلي................................................ 57

2-14- لزوم اتصالات اهمي...................................................................................... 58

فصل سوم

طيف خروجي ليزر نيمه هادي و عوامل مؤثر بر آن

3-1- تغييرات چگالي جريان آستانه و فشار هيدروستاتيكي ......................................... 61

3-2- واگرايي پرتو خروجي..................................................................................... 62

3-3- خروجي ساختارها........................................................................................... 63

3-4- محاسبه پهناي طيف در ليزرهاي نيمه هادي در ساختارهاي مختلف...................... 65

3-5- انواع پهناي طيف............................................................................................. 69

3-6- كوك پذيري ليزر نيمه هادي............................................................................. 73

3-7- روابط و معادلات مهم در توليد و بازتركيب حاملها............................................ 75

3-8- بهره در حالت پايا و جريان آستانه.................................................................... 79

3-9- اهميت كاواك ليزر........................................................................................... 84

3-10- مدهاي توليد شده در داخل كاواك.................................................................. 89

3-11- تفاوت اساسي مدهاي طولي و عرضي............................................................. 92

فصل چهارم

بررسي و تحليل طيف هاي خروجي (كارهاي تجربي)

پيشنهادات و نتايج

4-1- انواع اتصال ديود و طيف خروجي.................................................................... 97

4-2- تحليل مشخصه هاي ليزر نيمه هادي.................................................................. 98

1-    مشخصه ولتاژ- جريان (V- I)................................................................................ 98

2-    مشخصه جريان- مقاومت ديناميكي   .................................................. 101

3-    مشخصه جريان- توان (P- I)................................................................................. 102

4-    مشخصه جريان- راندمان كوانتومي ديفرانسيلي ................................ 103

5-    مشخصه توان طول موج ....................................................................... 103

نمودارهاي تجربي....................................................................................... 104

4-3- نتايج.............................................................................................................. 112

پيشنهادات............................................................................................................... 115

منابع فارسي............................................................................................................. 116

منابع لاتين............................................................................................................... 117

فصل 1

مقدمه اي بر ليزر (مباني ليزر)

مقدمه:

 تا سال 1960 اپتيك، صنعت نسبتاً كوچكي را تشكيل مي داد كه مباحث نسبتاً جامع و تكامل يافته چون ابزارهاي نوري، دوربين ها، ميكروسكوپ ها، و كاربردهاي عملي را در بر مي گرفت بعدها ليزر پاي بر صحنه نهاد ابتدا ليزر ياقوت، گازي و سپس ليزر تزريقي نيمرسانا. اوايل، بصورت اساسي به كاربردهاي ليزر دست نيافته بودند اما در مرحله جديدتر توانستند به امكانات بالقوة ليزر در مخابرات، در پردازش، ذخيره و بازاريابي اطلاعات در جراحي چشم از طريق ليزر، الگوي برش ليزري، برش فولاد با ليزر و استفاده از ليزر در مرحله اي از توليد سوخت هسته اي و دگرگوني هاي عظيم در مخابرات نوري و …دست يابند.

پيدايش تارهاي شيشه اي بسيار كم اتلاف باعث شده است كه مخابرات ليزر، جايگزين بسيار باارزش براي اتصال هاي سيمي مطرح شود بطور كلي ليزر تحول عظيمي در زندگي بشر و دنياي اطلاعات و …بر جاي گذاشت اهميت ليزر نيمه هادي، بيشتر بخاطر داشتن ساختار بسيار كوچك و نسبتاً ارزان با قابليت بسيار زياد در صنايع مخابرات مي‎باشد. بسامد نخستين ليزر، ياقوت، در طول موج  عبارتست از  كه كميت مورد توجه هر مهندس مخابرات است حال اگر فقط 1% از اين بسامد حامل براي پهناي باند اطلاعاتي بكار گرفته شود در اين صورت يك كانال مخابراتي فراهم مي‎آيد كه ظرفيت آن دو تا سه مرتبه بزرگي (10² تا 10³) از پهن ترين كانال هاي موجود بيشتر است.

برخي ارتباط هاي تقويت راديويي ميكروموجي كه شركت مخابرات از آن ها بهره مي‎گيرد داراي پهناي باند اطلاعاتي، شامل 10% از بسامدهاي حاصل است در نتيجه يك باريكة ليزر مي‎تواند تعداد زيادي برنامة تلويزيوني (با پهناي باند MHZ5) و تعداد زيادي مكالمة تلفني (پهناي باند براي هر مكالمه تلفني KHZ40) را به صورت همزمان منتقل كند.

هدف:

هدف از انتخاب اين موضوع، ليزر نيمه هادي، از چندين بخش تشكيل يافته است:

1-    ليزر نيمه هادي به خاطر سهولت كاربرد و كارايي وسيع آن در مخابرات از مهمترين نوع ليزرها مي‎باشد.

2-  توان الكتريكي مصرف شده براي راه اندازي ليزر نيم رسانا بسيار پايين تر از سايز ليزرها مي‎باشد چنين ليزري ممكن است با بازده بالاي 50% كار كند علت بالا بودن بازده، بخاطر كوچك بودن ابعاد و در نتيجه بالا رفتن چگالي جريان مي‎باشد.

3-  در ليزر نيمه هادي آينه معمولي، به عنوان فيدبك اپتيكي وجود ندارد در چنين ليزري آينه هاي ليزري، از برش (كليو) نمودن ساختار بلوري ايجاد مي‎شود.

4-     قابليت كنترل خروجي با استفاده از تغييرات در ساختار نيمه هادي (اعم از ناخالصي ها و گاف نوار و …)

…

در اين مطالعه، سعي شده است تا با بررسي روابط ميان پارامترهاي مختلف اعم از جريان آستانه، توان خروجي، اثرات موجبري و …بتوان با تقريب خوبي، خروجي مورد نظر در كارهاي مختلف را توليد نمود.

شباهت و تفاوت ليزر نيمه هادي با ساير ليزرها:

ليزرهاي نيمه هادي شبيه ساير ليزرها (ليزر حالت جامد، ياقوت و …) هستند و در آنها تابش گسيلي داراي همدوسي زماني و مكاني بوده و پرتو ليزري آنها بسيار تك رنگ (پهناي باند كوچك) و از راستاييِ زيادي، برخوردار هستند اما ليزرهاي نيمه هادي در بعضي جنبه ها با ساير ليزرها تفاوتهايي دارند از جمله:

1-  در ليزرهاي رايج گذارهاي كوانتومي بين ترازهاي انرژي مجزا صورت مي‎گيرد در حاليكه در ليزر نيمه هادي گذارها به خواص نوري مواد بستگي دارند.

2-  ليزرهاي نيمه هادي بسيار كوچكند بعلاوه از آنجا كه ناحية فعال آنها خيلي نازك است (ضخامت حدود يك ميكرون يا كمتر) در نتيجه واگرايي خروجي بطور قابل ملاحظه، از ليزرهاي معمول بزرگتر است كه اين از مشكلات اين ليزر محسوب مي‎شود.

3-    مشخصات بينايي ليزرهاي نيمه هادي شديداً به خواص محيط پيوند (نظير گاف نوار، و تغييرات ضريب شكست) بستگي دارد.

4-  در ليزرهاي پيوندي p-nعمل ليزري بسادگي در اثر عبور جريان مستقيم از ديود صورت مي‎گيرد و رويهم رفته سيستم كارايي زيادي دارد و مدولاسيون مدها به علت طول عمر كوتاه فوتون در محدودة فركانس زياد امكانپذير مي‎باشد كه اين مدولاسيون توسط جريان تزريقي انجام مي‎شود.

يكي از ويژگيهاي ممتاز ليزر نيمه هادي، كه باعث كاربرد آن در مخابرات شده است قابليت كوپل شدن با ساير ابزارهاي اپتيكي از جمله فيبرهاي نوري است و دليل آن كوچكي ابعاد و ساختارش مي‎باشد نور توليد شده در ليزر نيمه هادي زماني قابل استفاده در صنايع مخابرات است كه بتوان آنرا در تارهاي شيشه اي باريك (فيبرهاي نوري به قطر حدوداً چند ميكرون) انتقال داد.

بطور كلي هدف اين است كه شخص بتواند با بررسي طيف خروجي، اطلاعاتي راجع به ساختار ليزر، ميزان ناخالصي هاي بكار رفته، در تركيبات نيمه هادي جريان آستانه و …بدست آورد تا با اين طريق بتوان براي هر زمينة كاري ليزر و طول موج خاص را بكار برد.

1-1- خواص باريكة ليزر:

نور ليزر به علت داشتن چهار ويژگي زير داراي تمايز با نور معمولي است:

1- تكفامي       2- همدوسي       3- جهتمندي       4- درخشايي

1-    تكفامي: تنها موج الكترومغناطيسي با فركانس fكه از رابطة زير بدست مي‎آيد تقويت مي‎شود:   

(چون آرايش دو آينه اي كاواك، تشديدي ايجاد مي‌كند كه  نوسان تنها در فركانسهاي تشديد اين كاواك انجام مي پذيرد.)

2-  همدوسي: براي هر موج الكترومغناطيسي دو مفهوم مستقل همدوسي مي‎توان تعريف كرد:      1- همدوسي زماني    2- همدوسي فضايي

براي تعريف همدوسي فضايي دو نقطه P₂ , P₁را كه در لحظه t = 0روي جبهة يك موج الكترومغناطيسي قرار دارند در نظر مي گيريم و فرض مي كنيم E₂(t) , E₁(t)ميدانهاي الكتريكي متناظر در آن دو نقطه باشد بنابر تعريف، اختلاف فاز دو ميدان در لحظة  صفر است. اكنون، اگر اين اختلاف در هر لحظه  صفر باقي بماند مي گوييم بين دو نقطه يك همدوسي كامل برقرار است (و چنانچه براي هر دو نقطة دلخواه جبهة موج الكترومغناطيسي چنين وضعيتي برقرار باشد مي گوييم موج داراي همدوسي كامل فضايي است.)

حال براي تعريف همدوسي زماني، ميدان الكتريكي موج الكترومغناطيسي را در دو لحظة در نقطه Pدر نظر مي گيريم اگر در زمان تأخير مفروض tاختلاف فاز دو ميدان در هر لحظه tيكسان باقي بماند مي گوييم در مدت زمان  همدوسي زماني وجود دارد اگر اين اختلاف فاز براي هر مقدار t، يكسان باقي بماند گفته مي‎شود كه موج الكترومغناطيسي داراي همدوسي كامل زماني است و اگر اين امر براي مدت زمان تأخير  صورت گيرد بنحوي كه  گفته مي‎شود موج داراي همدوسي پاره اي زماني با زمان همدوسي  است.

3-  جهتمندي: اين خاصيت نتيجه مستقيم اين امر است كه مادة فعال ليزري به شكل زير در داخل كاواك قرار داده شود. در واقع فقط موجي كه در امتداد كاواك منتشر مي‎شود (يا در امتدادي كه خيلي نزديك به آن است) مي‎توان در كاواك دوام بياورد. ابتدا به بررسي همدوس كامل فضايي مي‎پردازيم: فرض مي‎شود باريكه اي با شدت يكنواخت و جبهة موج تخت روي پرده sكه داراي يك گشودگي است فرود مي‎آيد طبق اصل هويگنس، جبهة موج در هر صفحه Pدر پشت پرده با برهم نهش موجهاي جزئي كه از هر نقطه گشودگي گسيل مي‎شود بدست مي‎آيد به علت متناهي بودن اندازه گشودگي، D، باريكه داراي واگرايي محدود  است مقدار واگرايي از نظريه پراش بدست مي‎آيد: