پایان نامه ارتباط بین طیف خروجی و کاواک در لیزر نیمه هادی

 چکیده:

در این پایان نامه، ساختارهای مختلف لیزر نیمه هادی و خروجی آنها مورد بررسی قرار گرفته است و عوامل موثر بر این خروجی ها همچون جریان آستانه و تلفات اپتیکی بیان شده است. در نهایت با استفاده از طیف های دیود لیزری طول کاواک لیزر محاسبه شده است.

ساختار دیود لیزری از 5 لایه رونشستی توسط دستگاه LPE تهیه شده است که ضخامت لایة میانی یا لایة فعال برابر 05/0 میکرون می باشد. چگالی ناخالصی توسط دستگاه SIMS مورد بررسی قرار گرفته است که نشان می دهد چگالی ناخالصی در عرض لایه رونشستی کاملاً یکنواخت است و ضخامت لایه ها از 8 میکرون تا 05/0 میکرون به وسیله دستگاه AFM اندازه گیری شده است. شدت جریان آستانه در حدود A/cm2 70 برای تراشه ای به طول و عرض 200*300 میکرون محاسبه شده است. مدهای ظاهر شده در شدت جریان بالاتر از آستانه، Ith ، کاملاً مشهود است که نشان می دهد دیود ساخته شده پرتو لیزری از خود تابش می کند. در نهایت با استفاده از رابطه  طول کاواک برای طیف‌های به دست آمده محاسبه شده که مقدار 206 میکرون به دست آمده است که با مقدار تجربی 6% خطا وجود دارد.

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.

تعداد صفحات 118 word

فهرست مطالب

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

مشخصه ولتاژ- جریان (V- I)................................................................................ 98مشخصه جریان- مقاومت دینامیکی  .................................................. 101مشخصه جریان- توان (P- I)................................................................................. 102مشخصه جریان- راندمان کوانتومی دیفرانسیلی ................................ 103مشخصه توان طول موج ....................................................................... 103

نمودارهای تجربی....................................................................................... 104

4-3- نتایج.............................................................................................................. 112

پیشنهادات............................................................................................................... 115

منابع فارسی............................................................................................................. 116

منابع لاتین............................................................................................................... 117