پایان نامه بررسی ارتباط بین طیف خروجی و کاواک در لیزر نیمه‌هادی در 119 صفحه ورد قابل ویرایش
فهرست مطالب
عنوان صفحه
چکیده
فصل اول
مقدمه ای بر لیزر (مبانی لیزر)
مقدمه...................................................................................................................... 2
هدف....................................................................................................................... 3
شباهت و تفوت لیزر نیمه هادی با سایر لیزرها............................................................ 4
1-1- خواص بار یکه لیزر........................................................................................ 5
1-2- انواع لیزر....................................................................................................... 7
1-3- وارونی انبوهی .............................................................................................. 9
1-3-1- برهمکنش امواج الکترومغناطیسی با اتم........................................................ 12
1-3-2- فرایندهای تاثیرگذار بر غلظت اتمها در حالت های مختلف............................ 13
1-3-3- بررسی احتمال گذارها و معادلات تعادلی..................................................... 14
1-4- پهن شدگی طیفی و انواع آن........................................................................... 15
1-5- انواع کاواک نوری (فیدبک)............................................................................. 19
1-6- برهم نهی امواج الکترومغناطیسی...................................................................... 22
1-6-1- فاکتور کیفیت برای ابزارهای نوری Q .......................................................... 24
1-6-2- انواع تشدیدگرهای نوری و کاربرد آن.......................................................... 25
فصل دوم
لیزر نیمه هادی و انواع ساختار آن
2-1- مواد نیمه هادی............................................................................................... 27
2-2- بازده گسیل خودبخودی.................................................................................. 30
2-3- انواع بازترکیب............................................................................................... 31
2-4- گاف انرژی و انواع آن.................................................................................... 33
2-5- وارونی انبوهی و روش پمپاژ در لیزر نیمه هادی............................................... 35
2-6- اتصال p- n اولین تحقق لیزر نیمه هادی ........................................................... 37
2-7- انواع ساختارها............................................................................................... 39
2-7-1- روشهای گسیل نور در لیزر نیمه هادی......................................................... 40
2-7-2- لیزر با ساختار تخت................................................................................... 40
2-7-3- مشکلات لیزر پیوندی همجنس................................................................... 41
2-7-4- لیزرهای پیوندی غیرهمجنس....................................................................... 42
2-7-5- رابطه جریان و خروجی در لیزر تخت......................................................... 43
2-8- ساختار DFB................................................................................................... 44
2-8-1- طیف خروجی از لیزر DFB......................................................................... 45
2-9- تاثیرات دما به طیف گسیلی ساختارها............................................................... 46
2-10- مختصری راجع به بحث نوری...................................................................... 48
2-11- لیزرهای نیمه هادی و دیودهای نور گسیل...................................................... 51
2-12- جریان آستانه – خروجی............................................................................... 55
2-13- روشهای بهبود و افزایش بازده کوانتومی داخلی.............................................. 57
2-14- لزوم اتصالات اهمی..................................................................................... 58
فصل سوم
طیف خروجی لیزر نیمه هادی و عوامل مؤثر بر آن
3-1- تغییرات چگالی جریان آستانه و فشار هیدروستاتیکی ........................................ 61
3-2- واگرایی پرتو خروجی.................................................................................... 62
3-3- خروجی ساختارها.......................................................................................... 63
3-4- محاسبه پهنای طیف در لیزرهای نیمه هادی در ساختارهای مختلف..................... 65
3-5- انواع پهنای طیف............................................................................................ 69
3-6- کوک پذیری لیزر نیمه هادی............................................................................ 73
3-7- روابط و معادلات مهم در تولید و بازترکیب حاملها........................................... 75
3-8- بهره در حالت پایا و جریان آستانه................................................................... 79
3-9- اهمیت کاواک لیزر.......................................................................................... 84
3-10- مدهای تولید شده در داخل کاواک................................................................. 89
3-11- تفاوت اساسی مدهای طولی و عرضی........................................................... 92
فصل چهارم
بررسی و تحلیل طیف های خروجی (کارهای تجربی)
پیشنهادات و نتایج
4-1- انواع اتصال دیود و طیف خروجی................................................................... 97
4-2- تحلیل مشخصه های لیزر نیمه هادی................................................................. 98
1- مشخصه ولتاژ- جریان (V- I)................................................................................ 98
2- مشخصه جریان- مقاومت دینامیکی .................................................. 101
3- مشخصه جریان- توان (P- I)................................................................................. 102
4- مشخصه جریان- راندمان کوانتومی دیفرانسیلی ................................ 103
5- مشخصه توان طول موج ....................................................................... 103
نمودارهای تجربی....................................................................................... 104
4-3- نتایج............................................................................................................. 112
پیشنهادات............................................................................................................... 115
منابع فارسی............................................................................................................. 116
منابع لاتین............................................................................................................... 117
مقدمه:
تا سال 1960 اپتیک، صنعت نسبتاً کوچکی را تشکیل می داد که مباحث نسبتاً جامع و تکامل یافته چون ابزارهای نوری، دوربین ها، میکروسکوپ ها، و کاربردهای عملی را در بر می گرفت بعدها لیزر پای بر صحنه نهاد ابتدا لیزر یاقوت، گازی و سپس لیزر تزریقی نیمرسانا. اوایل، بصورت اساسی به کاربردهای لیزر دست نیافته بودند اما در مرحله جدیدتر توانستند به امکانات بالقوة لیزر در مخابرات، در پردازش، ذخیره و بازاریابی اطلاعات در جراحی چشم از طریق لیزر، الگوی برش لیزری، برش فولاد با لیزر و استفاده از لیزر در مرحله ای از تولید سوخت هسته ای و دگرگونی های عظیم در مخابرات نوری و … دست یابند.
پیدایش تارهای شیشه ای بسیار کم اتلاف باعث شده است که مخابرات لیزر، جایگزین بسیار باارزش برای اتصال های سیمی مطرح شود بطور کلی لیزر تحول عظیمی در زندگی بشر و دنیای اطلاعات و … بر جای گذاشت اهمیت لیزر نیمه هادی، بیشتر بخاطر داشتن ساختار بسیار کوچک و نسبتاً ارزان با قابلیت بسیار زیاد در صنایع مخابرات میباشد. بسامد نخستین لیزر، یاقوت، در طول موج عبارتست از که کمیت مورد توجه هر مهندس مخابرات است حال اگر فقط 1% از این بسامد حامل برای پهنای باند اطلاعاتی بکار گرفته شود در این صورت یک کانال مخابراتی فراهم میآید که ظرفیت آن دو تا سه مرتبه بزرگی (102 تا 103) از پهن ترین کانال های موجود بیشتر است.
برخی ارتباط های تقویت رادیویی میکروموجی که شرکت مخابرات از آن ها بهره میگیرد دارای پهنای باند اطلاعاتی، شامل 10% از بسامدهای حاصل است در نتیجه یک باریکة لیزر میتواند تعداد زیادی برنامة تلویزیونی (با پهنای باند MHZ5) و تعداد زیادی مکالمة تلفنی (پهنای باند برای هر مکالمه تلفنی KHZ40) را به صورت همزمان منتقل کند.
هدف:
هدف از انتخاب این موضوع، لیزر نیمه هادی، از چندین بخش تشکیل یافته است:
1- لیزر نیمه هادی به خاطر سهولت کاربرد و کارایی وسیع آن در مخابرات از مهمترین نوع لیزرها میباشد.
2- توان الکتریکی مصرف شده برای راه اندازی لیزر نیم رسانا بسیار پایین تر از سایز لیزرها میباشد چنین لیزری ممکن است با بازده بالای 50% کار کند علت بالا بودن بازده، بخاطر کوچک بودن ابعاد و در نتیجه بالا رفتن چگالی جریان میباشد.
3- در لیزر نیمه هادی آینه معمولی، به عنوان فیدبک اپتیکی وجود ندارد در چنین لیزری آینه های لیزری، از برش (کلیو) نمودن ساختار بلوری ایجاد می‌شود.
4- قابلیت کنترل خروجی با استفاده از تغییرات در ساختار نیمه هادی (اعم از ناخالصی ها و گاف نوار و …)
…
در این مطالعه، سعی شده است تا با بررسی روابط میان پارامترهای مختلف اعم از جریان آستانه، توان خروجی، اثرات موجبری و … بتوان با تقریب خوبی، خروجی مورد نظر در کارهای مختلف را تولید نمود.
شباهت و تفاوت لیزر نیمه هادی با سایر لیزرها:
لیزرهای نیمه هادی شبیه سایر لیزرها (لیزر حالت جامد، یاقوت و …) هستند و در آنها تابش گسیلی دارای همدوسی زمانی و مکانی بوده و پرتو لیزری آنها بسیار تک رنگ (پهنای باند کوچک) و از راستاییِ زیادی، برخوردار هستند اما لیزرهای نیمه هادی در بعضی جنبه ها با سایر لیزرها تفاوتهایی دارند از جمله:
1- در لیزرهای رایج گذارهای کوانتومی بین ترازهای انرژی مجزا صورت میگیرد در حالیکه در لیزر نیمه هادی گذارها به خواص نوری مواد بستگی دارند.
2- لیزرهای نیمه هادی بسیار کوچکند بعلاوه از آنجا که ناحیة فعال آنها خیلی نازک است (ضخامت حدود یک میکرون یا کمتر) در نتیجه واگرایی خروجی بطور قابل ملاحظه، از لیزرهای معمول بزرگتر است که این از مشکلات این لیزر محسوب می‌شود.
3- مشخصات بینایی لیزرهای نیمه هادی شدیداً به خواص محیط پیوند (نظیر گاف نوار، و تغییرات ضریب شکست) بستگی دارد.
4- در لیزرهای پیوندی p-n عمل لیزری بسادگی در اثر عبور جریان مستقیم از دیود صورت میگیرد و رویهم رفته سیستم کارایی زیادی دارد و مدولاسیون مدها به علت طول عمر کوتاه فوتون در محدودة فرکانس زیاد امکانپذیر میباشد که این مدولاسیون توسط جریان تزریقی انجام می‌شود.
یکی از ویژگیهای ممتاز لیزر نیمه هادی، که باعث کاربرد آن در مخابرات شده است قابلیت کوپل شدن با سایر ابزارهای اپتیکی از جمله فیبرهای نوری است و دلیل آن کوچکی ابعاد و ساختارش میباشد نور تولید شده در لیزر نیمه هادی زمانی قابل استفاده در صنایع مخابرات است که بتوان آنرا در تارهای شیشه ای باریک (فیبرهای نوری به قطر حدوداً چند میکرون) انتقال داد.
بطور کلی هدف این است که شخص بتواند با بررسی طیف خروجی، اطلاعاتی راجع به ساختار لیزر، میزان ناخالصی های بکار رفته، در ترکیبات نیمه هادی جریان آستانه و … بدست آورد تا با این طریق بتوان برای هر زمینة کاری لیزر و طول موج خاص را بکار برد.
- ساختار لیزر DFB ، دارای خروجی مشخص می باشد بنابراین برای ایجاد یک خروجی با فرکانس خاص بهتر است از ساختار DFB استفاده شود.
6- در بحث می نیمم کردن جریان آستانه، اپتیمایز کردن کاواک، محاسبات نمونه های مختلف کاواک نشان داد که یکی از عوامل پارامتر تاثیرگذار بر جریان آستانه، ضریب بازتاب سطح انتهایی کاواک می باشد و طول کاواک تأثیری در میزان جریان آستانه ندارد اگر ضرائب بازتاب سطوح انتهایی کاواک زیاد باشد Ith کمتر خواهد بود.(در طول ثابت کاواک، با کاهش ضریب بازتاب سطوح انتهایی، Ith زیاد می‌شود).
7- افزایش جریان باعث افزایش تعداد فوتونهای تولیدی می شود البته تا میزان مشخصی از جریان این روند ادامه دارد، پس از جریان مشخص، دیگر تعداد فوتونها زیاد نمی شود که این جریان به جریان کار لیزر معروف است. اگر تراشه در جریان بالاتر کار کند داغ شده و سیستم از کار می افتد.
8- اگر میزان ناخالصی های موجود در لایه ها بطور یکنواخت توزیع شده باشد در اینصورت طیف خروجی به شکل تابع گؤسی متقارن ظاهر خواهد شد. که در نمودار طیفها به وضوح دیده می شود و یکنواختی تغییرات مقاومت دینامیکی بر حسب جریان تأکید کننده این موضوع است.
9- یکی از مشکلات اساسی در لیزر نیمه هادی واگرایی زیاد خروجی در دو راستا است بطوریکه است برای کاهش می‌توان ضخامت لایه فعال، d، یا اختلاف درصد مولی ناخالصی اطراف لایه فعال، ، را کاهش داد.
10- در دیود DH مورد بررسی، شدت جریان آستانه بسیار پایین میباشد به طوری که در نمودار شکل (4-2) دیده می‌شود mA 2/41 = Ith است. با توجه به سطح مقطع دیود مورد بحث می‌توان چگالی جریان آستانه را در واحد سطح محاسبه کرد:
این مقدار کمترین مقدار شدت جریان آستانه است که تاکنون با روش LPE گزارش شده است.
11- مقادیر تجربی حاصل از دیود در موقع بایاس مستقیم نشان میدهد که بهرة کوانتومی داخلی در حدود %2/21 میباشد که مقدار بسیار قابل قبول برای این نوع دیودها میباشد.
12- در نمودار P-I وجود جریان آستانه شرط لازم برای دیود لیزری است و در نمودار وجود مد شرط کافی برای لیزر است.
13- از رابطه طول کاواک، با توجه به فاصلة مدها به دست می آید که با مقادیر تجربی سازگاری خوبی دارد. (کمتر از 6% خطا وجود دارد).
پیشنهادات:
به دلایل زیر موضوع لیزر نیمه هادی قابل بررسی و تحقیق بیشتر است:
1- روش ایجاد وارونی انبوه در سیستم های لیزری از اهمیت زیادی برخوردار است در لیزر نیمه هادی این کار توسط تزریق جریان الکتریکی به راحتی انجام می پذیرد. (پمپاژ الکتریکی) در سایر لیزرها روش سخت تر پمپاژ اپتیکی لازم است.
2- میزان توان مصرفی برای راه اندازی لیزر نیمه رسانا بسیار پایین از سایر لیزرها است چنین لیزری ممکن است با بازده بالای 50% کار کند.
3- از اساسی ترین کاربردهای لیزر نیمه هادی، استفاده در صنایع ارتباطات می باشد. امروزه با اختراع فیبرهای نوری انتقال اطلاعات با سرعت بسیار زیاد انجام می پذیرد. اطلاعات انتقالی به شکل نور توسط کوبلاژ لیزر نیمه هادی، فیبرهای نوری امکان پذیر است.
4- با افزایش کاربرد لیزر نیمه هادی در ارتباطات مخابراتی، بهتر است ساختارهای دیگر این لیزر (ساختار چاه کوانتومی و …) بیشتر مطالعه و بررسی شود.
5- با پیدایش علم جدید، نانو، بهتر است در چگونگی استفاده از این مواد، در لایه های مختلف این ساختار لیزری مطالعه بیشتری شود.
6- برای بهبود طیف خروجی بهتر است از لیزر چاه کوانتومی استفاده شود که در آن مقدار d کمتر از 1/0 میکرون است.
7- مقدار نقایص بلوری را می توان با تغییر روش ساخت از LPE به MOCVD به حداقل رسانید.
8- سطوح جانبی را می توان با لایه های رونشستی و مناسب آماده نمود تا فقط طیف از یک طرف کاواک خارج شود.