Составители: Э.А.Засовин, В.Ш.Берикашвили , М.Е.Белкин,

Н.Т.Ключник Редактор Э.А.Засовин

Предлагаемые методические указания рекомендуются для проведения лабораторных работ по дисциплинам: «Волоконно-оптические устройства и системы», «Оптические устройства в ра­диотехнике», «Интегральная и волоконная оптика». Изложено описание лабораторных стендов, методик проведения лаборатор­ных работ, форма представления отчетов. Даются контрольные вопросы и упражнения, позволяющие проверить степень усвое­ния материала.

Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Рецензенты: В.И. Смирнов, ЮЛ. Пантелеев

© МИРЭА, 2006

Литературный редактор О.А. Брот

Подписано в печать 29.03.2006. Формат 60x84Vi6.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,86. Усл. кр.-отт. 7,44. Уч.-изд. л. 2,0.

Тираж 200 экз. Заказ 24]. Бесплатно

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Мо^кий государственный институт радиотехники

электроники и автоматики (технический университет)"

119454, Москва, пр. Вернадского, 78

Введение

В последние годы бурно развивается техника волоконно-оптических систем сбора, обработки и передачи информации. Во­локонно-оптические линии связи характеризуются высокой ин­формационно-пропускной способностью, помехозащищенностью и "закрытостью" канала. Они находят широкое применение в разных областях техники. Методические указания содержат ряд новых на­учных и практических сведений для приобретения навыков работ с современными оптическими устройствами, входящими в состав волоконно-оптических систем передачи информации, и необходи­мы для правильного выполнения лабораторных работ по дисцип­линам «Волоконно-оптические устройства и системы», «Оптиче­ские устройства в радиотехнике», «Интегральная и волоконная оп­тика».

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

СВЕТОДИОДОВ

1. Цель работы

Ознакомление с устройством и функционированием полупро­водниковых светодиодов, изучение их основных излучателъных характеристик и особенностей работы с аппаратурой для измере­ния мощности оптического излучения.

2. Устройство и функционирование полупроводниковых

светодиодов

Полупроводниковые светодиоды широко используются в со­временной радиоэлектронной аппаратуре в качестве индикаторов и источников излучения для волоконно-оптических информа­ционных систем. В последнем случае используются светодиоды видимого и инфракрасного излучения. Конструкция, условное

з

графическое отображение и принцип раооты показаны, соответст­венно. на рис 1а, 1б, и 1в.

Рис: 1. Конструкция (а), условное графическое обозначение (б) и энергетические переходы светодиода (в)

Как и всякий диод, светодиод основан на использовании р-п -перехода в полупроводниковой структуре. При подаче напря­жения с плюсом на p и минусом на п в цепи возникает ток. При подаче напряжения противоположной полярности (ниже уровня пробоя) - ток в цепи не протекает. Вольтамперная характе­ристика светодиода приведена на рис. 2.

При протекании тока в области р-п -перехода в область р проникают ннжекционные электроны, которые, соударяясь с электронами атомов области р, выбивают последние с низшего энергетического уровня E₀ на более высокие уровни E₁, E₂ , E₃ и т.д. На этих уровнях электроны находятся в неустойчивом состоя­нии и переходят на низшие уровни с выделением энергии излу­чения:

ΔE_ij = E_i - E_j = h∙ν_ij,

где h - постоянная Планка, ν_ij - частота излучения, i и j -индексы энергетических уровней начального и конечного состоя­ния одного перехода (рис. 1в).

При некоторых переходах выделяется малая энергия без про­яления излучения. Они называются безизлучательными. Некото­рые из них сопровождаются излучением в радиочастотном диапа­зоне. Полупроводниковый материал и легирующие присадки оп-

ределяют длину основной волны излучения светодиода в види­мой или инфракрасной области. Зависимость мощности (яркости) излучения от тока P(J) называется ватт-амперной характеристикой светодиода.

Рис. 2. Вольтамперная харак- Рис. 3. Диаграмма направлен-

теристика светодиода ности и угол расходимости све-

тодиода

При малых токах, как правило, мощность (яркость) излучения светодиода Р_изл пропорциональна протекающему в нем току J:

Р_изл = α∙J,

где α - коэффициент пропорциональности, характеризующий излучательную способность светодиода

Отношение мощности излучения Р_изл к мощности электриче­ского тока Р_тока, затрачиваемого на возбуждение излучения, назы­вается квантовым выходом светодиода: К_вых = Р_изл / Р_тока .

Излучение светодиода имеет угловую расходимость θ, пока­занную на рис. 3. Распределение мощности относительно оси из­лучения называется диаграммой направленности излучения. Ко­личественной характеристикой расходимости является угол рас­ходимости θ между двумя лучами, проведенными к точкам с уровнем 0,5 Р_max. Количественной характеристикой расходимости является также числовая апертура источника излучения, которая определяется как: NA = sin θ ,

где угол расходимости в выражен в градусах.

5

Плотность мощности излучения на единицу поверхности уменьшается с расстоянием от источника по закону:

P_з = AG/r² = A/(r² θ_r) ,

где А - постоянная, угол расходимости θ_r выражен в радиа­нах а G = 1/θ_r - коэффициент направленности излучения.

Ослабление излучения в линии связи можно выразить через коэффициент ослабления К: P₁ = К Р₀ где Р₀ исходная мощ­ность, P₁ - мощность на выходе линии.

Иногда ослабление удобнее выражать в децибелах: α = 10 lg(Р₀/P₁) = 10 lg (1/К).

При ослаблении мощности излучения в 10 раз говорят, что она снизилась на 10 дБ.

3. Описание стенда

Электрическая схема стенда приведена на рис. 4. Она состоит из схемы питания светодиода и схемы блока измерения мощности излучения. Схемы включают следующие элементы: блок питания БП, предельное и регулировочное сопротивления R1 и R2 , мил­лиамперметр mA₁ , вольтметр V, контактный разъем КР, светоди­од VD1, фотодиод VD2 , измерительные миллиамперметры mA₂ и mA₃, переключатель Кл.

Рис. 4. Электрическая схема стенда для исследования ватт-амперных характеристик светодиодов (а - схема питания све­тодиода, б - схема измерения мощности излучения)

Напряжение с блока питания БП подается через сопротивле­ния R1 , R2 , миллиамперметр mA₁, , контактный разъем КР на светодиод VD1. Излучение светодиода попадает в окно фотодио-

да VD2 (ФД-24К), фототок которого измеряют миллиамперметра­ми mA₂ или mA₃. Мощность излучения светодиода определяют по фототоку с помощью графика "ток-мощность", прилагаемого к стенду. При отсутствии графика «ток-мощность» принять ток фо­тодиода 100 мкА соответствующим мощности излучения 1 мВт.

4. Задание по лабораторной работе При проведении лабораторной работы выполнить следующее:

1. Ознакомиться с описанием стенда и основными характери­стиками светодиода.

2. Осмотреть и определить основные устройства стенда и его контрольно-измерительные приборы.

3. Провести собеседование с преподавателем и отвегить на кон­трольные вопросы.

4. Вывести сопротивление R2 в крайнее левое положение.

5. Вставить исследуемый светодиод в разъем КР.

6. Включить блок питания и проверить наличие тока в цепи све­тодиода по миллиамперметру тА] (если тока нет поменять по­лярность светодиода в разъеме).

7. Провести измерение вольт-амперной характеристики и постро­ить график.

8. Вплотную приблизить светодиод к фотодиоду, измерить мощ­ность его излучения по измерению силы тока в цепи фотодиода миллиамперметрами тА₂ или тА₃ (с помощью графика "ток-мощность", прилагаемого к стенду). При отсутствии графика «ток-мощность» принять ток фотодиода 100 мкА соответст­вующим мощности излучения 1 мВт.

9. Если измерить зависимость по п. 7 и 8 не удается из-за зашка­ливания миллиамперметров тА₂ или mA_3s необходимо осла­бить излучение в 2-4 раза, отодвинув светодиод от фотодиода, и провести измерения с учетом коэффициента ослабления мощности.

10. Построить график зависимости мощности излучения свето­ диода от силы тока в его цепи (ватт-амперную харак­ теристику).

11. Определить зависимость квантового выхода от силы тока и по­ строить график.

7

12 Снять зависимость плотности мощности от расстояния в см между светодиодом и фотодиодом.