18_L_Issledovanie_vatt_ampernoi_774_kharakteristiki_lazernogo_dioda

План УМД 2022/2023 уч.год

ПРАКТИКУМ № 18-Л

ИССЛЕДОВАНИЕ ВАТТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ЛАЗЕРНОГО ДИОДА

Составители: Колесников О. В., к.т.н., доцент.

Пчелкина Н.В. к.т.н. доцент.

Болотов Д.В. инженер

Изучаются особенности ватт-амперной характеристики лазерного диода

Ил. 11, табл. 2, список лит. назв. 1.

Издание утверждено на заседании кафедры «Направляющие телекоммуникационные среды», протокол № 2022-06 от 28.06.2022 г.

Рецензент: Машковцева Л.С., к.х.н., доцент

2

2 Цель работы

Измерить и изучить особенности ватт-амперной характеристики

лазерного диода.

3Задание

2.1Ознакомиться с техникой безопасности работы с лазерным оборудованием и получить допуск на выполнение лабораторной работы

2.2Собрать экспериментальную схему

2.3Ввести необходимые установки оборудования

2.4Измерить ватт-амперную характеристику лазерного диода

2.5Построить ватт-амперную характеристику и найти рабочую точку с максимальным коэффициентом полезного действия

2.6

3Оборудование

3.1Лазерный диод с блоком управления

3.2Измеритель оптической мощности

4 Методические указания по выполнению работы

4.1 Общие положения

Лазерный диод (ЛД) — полупроводниковый лазер, построенный на базе диода. Его работа основана на возникновении инверсии населённостей в области p-n перехода при инжекции носителей заряда. Принцип действия лазерного диода основан на возникновении инверсии населенности

(преобладания частиц с большими энергетическими уровнями) в области полупроводникового p-n перехода в процессе инжекции (увеличения концентрации) носителей электрического заряда: электронов или дырок

(рисунок 1). Кристалл полупроводника в лазерном диоде выполнен в виде тонкой прямоугольной пластинки, являющейся, по сути, оптическим волноводом. Чтобы из пластины сделать полупроводниковый электронный

3

компонент – его легируют с двух сторон таким образом, чтобы с одной стороны получилась n-область, а с другой – p-область.

Рисунок 1 - Принцип работы лазерного диода

Торцевые стороны пластины очень тщательно полируются, чтобы получился оптический резонатор. В результате даже один фотон света,

попавший внутрь пластины и имеющий направление движение,

перпендикулярное этим отполированным торцам, будет многократно отражаться и создавать все больше и больше новых фотонов. И как только количество вновь созданных фотонов, которые также движутся перпендикулярно отполированным сторонам пластины, превысит количество новых фотонов, которые поодиночке вылетают из нее (теряются) – начнется генерация лазерного луча.

Лазерный луч на выходе из пластины достаточно тонок, но он сразу же начинает расходиться (рассеиваться). Чтобы собрать его снова производители лазерных диодов используют специальные собирающие линзы.

4.2 Характеристики лазерного диода

4

Кчислу основных характеристик полупроводникового лазера,

определяющих возможность использования его в системах связи и передачи

информации относятся:

мощность излучения;

диаграмма направленности излучения;

длина волны излучения моды;

спектральная ширина;

поляризация излучения;

быстродействие;

срок службы.

Мощность излучения. Зависимость мощности излучения от тока

накачки – это и есть ватт-амперная характеристика при различных значениях температуры (рисунок 2).

Рисунок 2 – Ватт-амперные характеристики лазерного диода при различных температурах активной области

Из рисунка 2 видно, что величина порогового тока Iпор резко возрастает с ростом температуры. Эмпирически было показано, что для большинства лазерных диодов эта зависимость подчиняется закону пор~ ( ⁄0), где

5

0 – характерная температура, зависящая от параметров того или иного лазерного диода, и значение которой является мерой качества диода. Чем больше параметр 0, тем в меньшей степени величина пор чувствительна к температуре.

Итак, для того чтобы при накачке активной области происходило экспоненциальное усиление, необходимо создать инверсную населённость в этой области и осуществить обратную положительную связь, т.е. поместить активную область в оптический резонатор. Само собой необходимо учитывать и потери в резонаторе. Так как индуцированное излучение имеет вероятностный характер, то и усиление может происходить с некоторой вероятностью. Из этих факторов получаем условие порога генерации лазера

– потери в резонаторе должны быть меньше усиления лазерного излучения.

Пороговой энергией генерации будем называть уровень энергии, начиная с которого, происходит генерация лазерного излучения.

Для оценки эффективности лазера используют параметр –

коэффициент полезного действия (КПД). Он определяется в конкретной

где изл – энергия лазерного излучения, н – энергия накачки.

Так как на практике удобнее измерять мощность лазера, то приведем формулу (1) к следующему виду:

где изл – мощность лазерного излучения, н – мощность накачки.

Поскольку существует пороговая энергия накачки, то для уровней энергии меньше порогового значения КПД лазерного диода будет равняться нулю, а при больших значениях энергии получим линейную зависимость ватт-амперной характеристики, смещенную на значение пороговой энергии

(рисунок 3). И имеем зависимость:

изл = диф(н − пор).

6

Таким образом, если количество фотонов, пришедших на измеритель

мощности, поделить на количество электронов, то получим квантовую эффективность:

Диаграмма направленности. Типичная диаграмма направленности оптического излучения лазерного диода показана на рисунке 4.

Рисунок 4 – Диаграмма направленности и характер оптического излучения лазерного диода

Как видно, диаграмма излучения лазера несимметрична (рисунок 4),

имеет форму эллиптического конуса. Достаточно большая угловая расходимость генерируемого излучения препятствует эффективному её вводу в волокно с малой числовой апертурой, требуя применения специальных согласующих устройств.

Длина волны излучения. Длиной волны излучения лазерного диода считается длина волны λ0, на которой выходная мощность максимальна.

Спектральная ширина (ширина спектра излучения) Δλ – интервал длин волн, в котором спектральная мощность составляет половину максимальной. Реально полоса пропускания резонатора конечна и спектр излучения лазерного диода составлен из относительно узких линий. На рисунке 5 показана зависимость спектральной мощности Р(Δλ) от длины

8

волны для разных ЛД. Главная отличительная черта спектра – линейчатая структура.

Рисунок 5 – Спектральная характеристика лазерного диода

(а) многомодового и (б) одномодового

Поляризация излучения. Лазерный диод обеспечивает генерацию нескольких отдельных «почти» монохроматических волн, которые можно считать частично поляризованными – ориентация векторов электромагнитного поля определяется топологической схемой лазерного диода.

Быстродействие. Скорость включения и выключения источника света должна быть достаточно высокой, чтобы соответствовать требованиям ширины рабочей полосы пропускания оптической системы. Скорость источника определяется временем нарастания и спада импульса сигнала.

Лазеры имеют время нарастания нар < 1 нс. Максимальная частота модуляции fмmax, по которой оценивается быстродействие источников излучения, у лазерных диодов достигает нескольких гигагерц.

Срок службы. Сначала лазерные диоды обладали значительно меньшей надёжностью, так как они требовали бóльших токов накачки. Затем удалось значительно повысить надёжность, и приблизить время наработки на отказ до 50 тыс. часов и более (до 8 лет).

9