Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Исследование нелинейных характеристик полупроводниковых лазерных диодов. Практикум
.pdf
Федеральное агентство связи
Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение
высшего профессионального образования
Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики
В. А. Варданян
Исследование нелинейных характеристик полупроводниковых
лазерных диодов
Практикум
Новосибирск 2013
УДК 621.316
Варданян В.А. Исследование нелинейных характеристик полупроводниковых лазерных диодов: Практикум/ ФГОБУ ВПО «СибГУТИ».- Новосибирск,
2013г. - 27с.
Практикум предназначен для студентов высших учебных заведений, обу-
чающихся по направлению подготовки бакалавров 210700 «Инфокоммуника-
ционные технологии и системы связи».
Практикум содержит методические указания для выполнения двух лабора-
торных работ по изучению нелинейных характеристик полупроводниковых лазерных диодов: 1) Исследование переходных процессов в полупроводниковых
лазерных диодах на резонаторах Фабри-Перо. 2) Исследование нелинейных частотных продуктов лазерного диода на примере модуляции многоканальным
АМ–сигналом. Практикум предназначен для исследования процессов нелинейного характера в лазерных диодах, возникающих при непосредственной модуляции.
Приведены краткие теоретические сведения, необходимые для понимания
нелинейных процессов при модуляции лазерных диодов и для выполнения
предварительного расчета.
В практикуме предложены 6 вариантов исходных данных для выполнения
каждой лабораторной работы.
Кафедра многоканальной электросвязи и оптических систем
Ил. -13, табл. -11, список лит. -5 наим.
Рецензент: д.т.н., профессор Горлов Н.И.
Утверждено редакционно-издательским советом ФГОБУ ВПО «СибГУТИ»
в качестве практикума.
© ФГОБУ ВПО «Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики», 2013 г.
Оглавление
Введение ………………………………………………………………...4
I. Исследование переходных процессов в полупроводниковых
лазерных диодах на резонаторах Фабри-Перо …………………….5
II. Исследование нелинейных частотных продуктов лазерного
диода на примере модуляции многоканальным АМ–сигналом… 16
3
Введение
Практическое значение инжекционных полупроводниковых лазеров в по-
следнее время существенно возросло, в частности, благодаря развитию техники связи по волоконным световодам, где инжекционный лазер незаменим как
источник модулированных оптических сигналов. Круг специалистов, имеющих дело с волоконной оптикой или интересующихся ей, продолжает расширяться. Вследствие этого ощущается потребность в пособиях, дополняющих
исследования и разработки.
Данный практикум показывает:
1. На приближенной модели инжекционного полупроводникового лазерного
диода переходные процессы в нем при скачкообразном изменении тока
накачки. Подбирая некоторые эмпирические параметры в модели,
наглядно, в виде графиков получаем плотность электронов и плотность
фотонов для разных мод в зависимости от времени. Исследования пока-
зывают, что плотности фотонов, а, следовательно, и соответствующие
мощности разных мод меняются во время переходного процесса. Например, для многомодового лазера, при скачкообразном изменении тока
накачки, возбуждается много продольных мод, которые начинают колебаться с приблизительно равными амплитудами, а затухают с разной скоростью. А что касается одномодовых лазеров, то продольные боковые
моды не находят благоприятных условий для возбуждения, и даже при
появлении, затухают очень быстро, позволяя одной основной моде само-
стабилизироваться, приводят к одноволновому режиму.
2. Влияние нелинейности ватт-амперной характеристики лазерного диода на
появление нелинейных частотных продуктов в спектре оптического сиг-
нала при непосредственной модуляции диода многоканальным АМ- сиг-
налом, что позволяет обоснованно выбрать максимальное количество ка-
налов при заданной норме нелинейных помех.
Практикум может быть полезен для специалистов в области волоконно-
оптической связи, инженеров, занимающихся проектированием таких систем,
а также при подготовке специалистов по оптоэлектронным приборам и
устройствам.
4
I. Исследование переходных процессов в полупроводниковых
№
варианта
η
d
мкм
D
мкм
nr n
g
λ
0
мкм
Δλ
D
нм
L
мкм
1
0,5
0,25
3
3,4
4
1,30
60
400
2
0,5
0,4
4
3,27
3,8
1,55
55
350
3
0,4
0,5
2
3,3
4
1,32
60
300
4
0,3
0,3
3
3,3
3,9
1,50
55
350
5
0,6
0,35
2
3,5
4,1
1,30
65
250
6
0,6
0,5
4
3,3
4
1,55
50
400
лазерных диодах на резонаторах Фабри-Перо
1. Цель работы
Целью работы является исследование переходных процессов, протекаю-
щих в полупроводниковых лазерных диодах на резонаторах Фабри-Перо
при скачкообразном изменении тока накачки.
2. Литература
2.1 Под редакцией У.Тсанга «Полупроводниковые инжекционные лазеры,
динамика, модуляция,спектры», Москва: Радио и связь, 1990 (пер. с
английского).
2.2 П. Г. Елисеев «Введение в физику инжекционных лазеров», Москва:
Наука, 1983.
2.3 Дж. Гауер «Оптические системы связи», Москва: Радио и связь, 1989
(пер. с английского).
3. Подготовка к работе
3.1 В ходе подготовки к работе необходимо изучить теоретическую часть
(п.4) и рассчитать плотность порогового тока Jth по формуле (20) .
3.2 Рассчитать и нарисовать график зависимости частоты релаксацион-
ных колебаний f
от (J/ J
р
-1) по формуле (21 ) в диапазоне изменения
th
от 0,2 до 2 с шагом 0,2. Данные для вариантов расчета приведены в
таблице 1.
3.3 Рассчитать плотность порогового тока для тех же значений при длине
резонатора L/5 (Jth при L/5).
Таблица1
4. Теоретическая часть
Работу полупроводниковых лазерных диодов можно описать при помощи
зависящих от времени скоростных уравнений для плотностей электронов и
фотонов [1].
(1)
5
где
- коэффициент усиления моды
- коэффициент стимулированного излучения
- коэффициент спонтанного излучения
, (4)
(2)
, (3)
- коэффициент эффективных потерь в резонаторе
(5)
Символы в (1) определяются следующим образом:
- модовый коэффициент,
- плотность электронов в проводящем слое,
- постоянная, определяющая граничный ток лазера (2,2*103 мкм-3),
- плотность тока, приложенного к лазеру,
- заряд электрона (1,6*10
-19
Кл),
- толщина активной области (резонатора) лазера,
- ширина лазерного резонатора,
- время жизни спонтанных электронов (3*10
- скорость света в вакууме (3*10
- групповой индекс преломления в области резонатора,
- индекс преломления в резонаторе,
14
мкм/с),
-9
с),
- плотность фотонов моды,
- функция распределения электронов,
- длина резонатора лазера,
- потери на поглощение внутри резонатора (20*10
-4
мкм
-1
),
- коэффициент отражения от граней резонатора лазера (0,3),
D v имеет вид лоренцового распределения:
Δ
Δ
, (6)
Δ
где
- длина волны для пика распределения,
- длина волны для моды,
Δ
- спектральная ширина эффективного усиления на уровне 0.5Dυ (типичное
значение
Δ - расстояние между соседними модами Δ
мкм),
. (7)
Ка к видно из (1), скорость изменения плотности электронов, при началь-
ном их появлении предполагает отсутствие фотонов (S v = 0), следовательно:
). (8)
Это решение верно от t = 0 по t = t0, где
, (9)
6
при котором N
(t) пересекает свое установившееся значение
е
сто t0 называют временем включения лазера.
первый раз. Ча-
При
, плотность электронов делает колебания с незначительными
амплитудами вокруг установившегося значения, следовательно
Δ
. (10)
Подставляя (10) в систему уравнений (1), и сконцентрировав внимание на
лазерных модах, находящихся близко к пику усиления, предположим, что
. Систему двух дифференциальных уравнений первого порядка можно
свести к одному уравнению второго порядка. Поскольку речь идет о лазерном
режиме, проведем эти преобразования, пренебрегая вкладом маленьких по величине составляющих. Таким образом, получаем следующее дифференциаль-
ное уравнение
Δ
Δ
Δ
, (11)
которое описывает затухающие гармонические колебания со средней угловой
частотой
. (12)
Уравнение (11) имеет решение вида
ΔΔ
где Δ
- амплитудный коэффициент, который определим, отходя немного от
) , (13)
нашей модели, а именно - предположим, что колебательный процесс плотности
электронов имеет пилообразный вид, что подтверждается точным решением
системы дифференциальных уравнений. На рис.1 отображен отрывок колеба-
тельного процесса концентрации носителей вокруг стационарного значения.
Рис. 1
Как видно из рис.1, положительный наклон кривой определяется как
Δ , где - общая длина зубца пилы. Но, так как плотность электронов
может отклониться от формы треугольника, то опишем это явление с помощью
коэффициента К<1. Следовательно, имеем
где период выражается через угловую скорость
Δ
(14)
.
7
Пренебрегая плотностью фотонов, из (1) находим, что
Δ
. (15)
Таким образом, получаем выражение для амплитудного коэффициента
Δ
(16)
Очевидно, что при значении плотности электронови во время коле-
бательного процесса около этого значения, коэффициент усиления почти всегда
находится в насыщенном состоянии со значением . Следовательно, из
выражения коэффициента усиления (2) при находим значение плот-
ности электронов при установившемся режиме
(17)
В конечном итоге, подставляя (10) во второе дифференциальное уравнение
системы (1), и решая его, получаем выражение для плотности фотонов
.
Все моды осциллируют почти в фазе и на одной частоте, которую имеет
колебание плотности электронов в выражении (12). Учитывая, что плотность
электронов в установившемся режиме ограничена пороговым значением, то
где
- время жизни фотонов.
(18)
Следовательно, пороговая плотность тока определяется
(19)
(20)
Тогда (12) можно переписать в следующей форме:
(21)
5. Описание интерфейса программы
Здесь приведены основные функции интерфейса программы. На рис. 2 изображена верхняя часть основного интерфейса программы, которая состоит из
двух областей:
Рис. 2
8
Вверху располагается главная панель команд File (Файловое меню), Edit
(меню редактирования), Window (меню управления окнами), Help (помощь).
Ниже располагаются часто используемые кнопки – кнопки быстрого до-
ступа:
1. Open – открыть проводник, через который можно загрузить ранее
сохраненный проект модели;
2. New – создать новую модель с новыми параметрами;
3. Save – открыть проводник, с помощью которого можно сохранить
текущий проект модели на жесткий диск;
4. Copy – копировать выделенный объект/ результаты расчета в буфер
обмена;
5. Paste – вставить текст или объект из буфера обмена;
6. Print – печатать графические результаты на принтер;
7. Exit – выход их программы.
Для создания нового проекта модели необходимо воспользоваться кноп-
кой “New”, в результате появится основное окно программы под названием
NONAME1.SIL (см. рис. 3).
Рис. 3
9
Основное окно программы состоит из 4 частей:
В верхней части располагается кнопка запуска программы “Запуск расче-
та” и два индикатора, указывающие процент выполнения расчетной части
и проекта в целом.
Панель «Параметры» включает:
Панель – “Переменные параметры”, где находятся:
1. J – плотность тока накачки (A/мкм2)10-5.
2. K – часть периода, где Ne(t) больше среднего значения (в данной
работе K=0,9).
3. L – длина резонатора Фабри-Перо ( мкм).
4. Eps, TR – поправочные коэффициенты (в данной работе
Eps=0,0175; TR=0,83).
Панель – “Постоянные параметры”, где находятся:
1. Jth – пороговая плотность тока (A/мкм2)10-5.
2. Heta (η) – модовый коэффициент.
3. Alfa0 (α0) – коэффициент затухания.
4. d – толщина активной области резонатора (мкм).
5. D – ширина активной области резонатора (мкм).
6. Nr – показатель преломления в резонаторе.
7. Ng – групповой показатель преломления в области преломления.
8. R – коэффициент отражения от граней резонатора.
9. Lambda0 (λ0) – центральная длина волны (мкм).
10. dLambdaD (ΔλD) – спектральная ширина эффективного усиления
(мкм).
Панель – “Параметры программы”, где находятся:
1. Количество точек за период (по умолчанию 40).
2. Количество периодов (по умолчанию 30).
3. Количество гармоник (по умолчанию 20, однако, необходимо
уменьшить, если мощность компьютера не позволяет рассчитать
или программа выдает ошибку – минимальное значение 5).
4. Количество выводимых графических страниц.
6. Запуск программы
После заполнения всех параметров (см. п.3, согласно номера варианта) - за-
пустить расчет кнопкой “Запуск расчета”. Если все параметры введены правильно, то основное окно программы дополняется вкладками “Результаты”,
“Графики Ne(t) S(моды, t)”, ” График H (f)”. После расчета активной вкладкой
является вкладка “Результаты” (по умолчанию) (см. рис. 4).
Если параметры введены корректно и при выполнении расчетов про-
грамма выдает ошибку, то необходимо уменьшить, в первую очередь, количество гармоник (минимум 7 в данной работе) и еще раз запустить расчет.
Во вкладке “Результаты” в табличном виде отображаются все рассчитан-
ные значения (см. рис. 4). Есть возможность скопировать результаты в буфер
обмена для дальнейшей обработки в табличных редакторах (например, MS Ex-
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]