Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Исследование нелинейных характеристик полупроводниковых лазерных диодов. Практикум
.pdf
cel). Каждая строка соответствует расчетным значениям концентрации электронов Ne(t) и оптических мод S (ν) (где ν- количество мод или количество гармоник) в определенные моменты времени t (нс).
Во вкладке “Графики Ne(t) S(моды, t)” отображаются переходные характеристики S лазерного диода для каждой моды и временная зависимость концентрации носителей Ne (см. рис. 5). Единицы измерения слева для S(моды) и
справа для Ne условные. Есть возможность увеличения масштаба рисунка, изменением количества страниц в пункте “Кол-во стр.” – от 1 до 80 (на практике
достаточно увеличение масштаба до 8-10 страниц). Для постраничного просмотра увеличенного рисунка необходимо воспользоваться кнопками “Пред.” –
предыдущая страница и “След.” – следующая страница (см. рис. 6).
Во вкладке “График H (f)” отображается амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) лазерного диода (см. рис. 7).
Рис. 4
11
Рис. 5
Рис. 6
12
J/ Jth-1
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
J*10-5
А/мкм
2
fр
ГГц
Рис. 7
7. Методические указания к выполнению работы
7.1 Заполнить необходимые параметры в программе согласно № варианта.
При помощи программы рассчитать частоты релаксационных колебаний, изменяя значения плотности тока накачки так, чтобы (J/ Jth-1)=k*0,1
(k=1,2,3,4,5,6,7). При выдаче программой информационного уведомления необ-
ходимо уменьшить в параметрах программы количество гармоник до 7, снова
запустить расчет. Заполнить таблицу 2. Зарисовать с экрана АЧХ H(f) при разных значениях k. Нарисовать график зависимости fр от (J/ Jth-1).
Таблица 2
7.2 Рассмотреть амплитудное распределение для семи мод лазера.
Для этого необходимо ввести параметры в программе согласно № варианта
(приняв J=1,5*Jth) и запустить расчет. Зарисовать полученные графики Ne(t) и
S(t) (придерживаясь точности в значениях по осям). Увеличить масштаб с по-
13
мощью установки количества отображаемых страниц так, чтобы можно было с
S0 S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
L мкм
L/5
мкм
S0/ S0
S1/ S0
S2/ S0
S3/ S0
S4/ S0
S5/ S0
S6/ S0
S7/ S0
L мкм
L/5
мкм
t1 t2
t3
t4
t5
t6
t7
S1
S2
S3
помощью кнопок пред./след. найти ярко выраженный первый пик осцилляции.
Зарисовать первый пик осцилляции. Заполнить таблицу 3 значениями Sυ (в относительных единицах) для первого пика осцилляции (υ = 0,1,2,3,4,5,6,7) - значения Sυ взять из таблицы результатов.
Таблица 3
7.3 Выполнить п.7.2 для резонатора с длиной L/5.
Для этого вернуться к исходным параметрам программы, внести изменения в
параметрах согласно п.3.3 (J
, J=1,5*Jth , L/5) и запустить расчет. При выдаче
th
программой информационного уведомления необходимо уменьшить в парамет-
рах программы количество гармоник до 7, снова запустить расчет. Закончить
заполнение таблицы 3.
7.4 На одном графике отобразить результаты, полученные в п.7.2 и п.7.3, в виде
нормированных зависимостей Sυ/S0 от номера моды υ (υ=0,1,2,3,4,5,6,7) , предварительно заполнив таблицу 4.
Таблица 4.
7.5 Расчет скорости затухания релаксационных колебаний боковых мод.
Для этого вернемся к п.7.2. Необходимо взять пиковые значения амплитуды
первых 3-х боковых мод в моменты времени возникновения пик. Заполнить
таблицу 5.
Таблица 5
7.6 На одном графике отобразить результаты, полученные в п.7.5, в виде нор-
мированной зависимости S
υ
/ S
υmax
от (t-t
), где S
1
– максимальное значение
υmax
амплитуды υ моды (υ=1,2,3), t1-значение времени первого пика.
14
Таблица 6
0
t2
- t1
t3- t1
t4- t1
t5- t1
t6- t1
t7- t1
S1/ S
1max
S2 / S
2max
S3 / S
3max
8. Содержание отчета
Отчет должен содержать:
Все расчеты и графики п.3.
Зарисовки с экрана изображений зависимости H(f).
График зависимости fр от (J/ Jth-1).
Зарисовки изображения с экрана для Ne(t) и S(t).
Графики амплитудного распределения мод лазера при разных дли-
нах резонатора Фабри-Перо (при L и L/5, соответственно).
Графики, отображающие скорости затухания релаксационных ко-
лебаний боковых мод.
9. Контрольные вопросы
Чем отличаются одномодовые и многомодовые лазеры, их основ-
ные недостатки и/или преимущества?
Поясните процессы, приводящие к возникновению релаксационных
колебаний при прямой модуляции лазерного диода.
Что такое переходная характеристика системы?
Какие параметры определяют значение плотности порогового тока?
Как изменяется пороговая плотность тока в зависимости от толщи-
ны активного слоя лазера?
Как изменяется АЧХ полупроводникового лазера в зависимости от
тока накачки?
Как изменяется модовый состав лазерного излучения при укороче-
нии резонатора?
От чего зависит время включения полупроводникового лазера?
Как изменяется модовый состав лазерного излучения в зависимо-
сти от длительности действия единичного скачка тока накачки?
15
II. Исследование нелинейных частотных продуктов лазерного диода
Номера каналов
№
варианта
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 50
51
52
1
+ + + + 2 + + + + 3 + + + + 4 + + + +
5
+ + + +
6
+ + + +
на примере модуляции многоканальным АМ–сигналом
1. Цель работы
Целью работы является исследование нелинейных частотных продуктов,
появляющихся из-за нелинейности ватт-амперной характеристики (ВАХ)
лазерного диода (ЛД) на примере модуляции многоканальным ампли-
тудно-модулированным (АМ) - сигналом в диапазоне отечественного
стандарта телевизионного (ТВ) вещания.
2. Литература
2.1 В. А. Варданян, А. Г. Овчинников ”Модуляция лазерного диода много-
канальным ТВ-сигналом”, СО РАН, Автометрия, 2001, №1 , стр.125-129.
2.2 ГОСТ 28324-89. Сети распределительных приемных систем телеви-
дения и радиовещания. (Классификация приемных систем, основные
параметры и технические требования). М.: ГК СССР по управлению
качеством продукции и стандартам, 1989.
3. Подготовка к работе
3.1 В ходе подготовки к работе необходимо изучить теоретическую часть
(п.4).
3.2 Знать канальное частотное распределение в отечественном стандарте
телевизионного вещания. В данной работе проводится расчет нели-
нейных продуктов в первых 10 каналах и в последних 3-х каналах со-
гласно номеру варианта (см. таблицу 1). Несущие (центральные) частоты fk этих каналов приведены в таблице 2.
Таблица 1
16
Таблица 2
Номера каналов
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 50
51
52
f
k
k=1,2..52
49,75
59,25
77,25
85,25
93,25
175,25
183,25
191,25
199,25
207,25
767,25
775,25
783,25
4. Теоретическая часть
На основе анализа ВАХ реальных лазерных диодов (ЛД) в работе использу-
ется аппроксимирующая нормированная ВАХ, показанная на рис.1
Рис. 1
- оптическая мощность на выходе лазера;
- оптическая мощность при рабочем токе смещения IСМ;
I - пороговый ток лазера;
- параметр, определяющий степень нелинейности.
При А —> 0 ВАХ соответствует идеальному лазеру, а при значениях 0< А < 1
ВАХ принимает вид плавно меняющейся кривой. Отметим, что кривые, аппроксимирующие реальную ВАХ, являются касательными к идеальной и при
необходимости могут быть разложены в степенной ряд.
В первом приближении групповой многоканальный ТВ-сигнал, нормированный на величину (Iсм – Iп), можно представить суммой сигналов некогерентных несущих частот изображения:
17
(1)
где
I
- максимальное значение тока модуляции; fk - частота несущей изображе-
max
- глубина модуляции канала k (k = 1,2,...,52);
ния канала k, а фаза каждого канала k принимает случайные значения. При моделировании предполагается одинаковая глубина модуляции для всех каналов, а фазы каналов равномерно распределены между - π и +π.
Для нахождения спектральных компонент сигнала на выходе нелинейного ЛД во всем диапазоне ТВ-вещания, в расчетах используется математический
аппарат быстрого преобразования Фурье с прореживанием по времени. Алго-
ритм быстрого преобразования Фурье основан на разбивке полученной функ-
ции относительной мощности излучения ЛД от времени
на две
N/2-дискретные последовательности ( N =2 целое число), состоящие
из четных и нечетных
нием по формуле , где
,.
членов, с последующим их объедине-
,
Вещественные и мнимые составляющие отсчетов исходной последовательности записываются в разные массивы памяти компьютера, и затем рассчитывается квадратный корень от суммы квадратов этих составляющих. В результате получаются спектральные компоненты генерируемого ЛД сигнала многока-
нального ТВ.
При моделировании многоканальный сигнал на выходе ЛД дискретизи-
ровался с частотой 32 ГГц с разрешением по частоте спектральных компонент
250 кГц. Мощность нелинейных искажений в каналах определяется при исключении из выражения (1) мощности несущей соответствующего канала и сумми-
рованием мощностей, появляющихся в частотном диапазоне данного канала.
5. Описание интерфейса программы
Здесь приведены основные функции интерфейса программы. На рис. 2 изображена верхняя часть основного интерфейса программы, который состоит из двух
областей:
Рис. 2
Вверху располагается главная панель команд File (Файловое меню), Edit
(меню редактирования), Window (меню управления окнами), Help (помощь).
18
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
Основное окно программы состоит из 3 частей:
В верхней части располагается кнопка запуска программы “Запуск расче-
та” и два индикатора, показывающие процент выполнения расчетной ча-
сти и проекта в целом.
19
Панель «Параметры» включает:
Панель – “Переменные параметры”, где находятся:
1. А – параметр, определяющий степень нелинейности.
2. Mi – глубина модуляции одного канала.
3. F
(кГц) – начальная частота диапазона отечественного стандарта
нач.
ТВ вещания (49750 кГц).
4. dF (кГц) – минимальное разрешение спектральных компонент.
5. Случайный характер фаз (при выполнении работы должна быть вы-
брана эта опция).
6. Удалить нижеуказанные каналы (здесь необходимо выбрать те ка-
налы, в которых необходимо рассчитать мощности нелинейных
продуктов согласно номеру варианта).
Панель – “Параметры программы”, где находятся:
1. Количество точек за период (по умолчанию 20).
2. Количество периодов (по умолчанию 52).
3. 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”,
“Спектр ”, “Данные вх. сигнала”. После расчета активной вкладкой является
вкладка “Спектр” (по умолчанию) (см. рис. 4).
Рис. 4
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]