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

تعداد صفحات: ۱۲۸ | قابل ویرایش

فهرست مطالب پایان نامه ارتباط طیف خروجی و کاواک در لیزر نیمه هادی

عنوان                                                     صفحه

چکیده

فصل اول

مقدمه ای بر لیزر (مبانی لیزر)

مقدمه…………………………………. ۲

هدف…………………………………… ۳

شباهت و تفوت لیزر نیمه هادی با سایر لیزرها… ۴

۱-۱- خواص بار یکه لیزر………………….. ۵

۱-۲- انواع لیزر…………………………. ۷

۱-۳- وارونی انبوهی …………………….. ۹

۱-۳-۱- برهمکنش امواج الکترومغناطیسی با اتم… ۱۲

۱-۳-۲- فرایندهای تاثیرگذار بر غلظت اتمها در حالت های مختلف   ۱۳

۱-۳-۳- بررسی احتمال گذارها و معادلات تعادلی… ۱۴

۱-۴- پهن شدگی طیفی و انواع آن……………. ۱۵

۱-۵- انواع کاواک نوری (فیدبک)……………. ۱۹

۱-۶- برهم نهی امواج الکترومغناطیسی……….. ۲۲

۱-۶-۱- فاکتور کیفیت برای ابزارهای نوری Q …. 24

۱-۶-۲- انواع تشدیدگرهای نوری و کاربرد آن….. ۲۵

فصل دوم

لیزر نیمه هادی و انواع ساختار آن

۲-۱- مواد نیمه هادی…………………….. ۲۷

۲-۲- بازده گسیل خودبخودی………………… ۳۰

۲-۳- انواع بازترکیب……………………… ۳۱

۲-۴- گاف انرژی و انواع آن……………….. ۳۳

۲-۵- وارونی انبوهی و روش پمپاژ در لیزر نیمه هادی    ۳۵

۲-۶- اتصال p- n اولین تحقق لیزر نیمه هادی ….. ۳۷

۲-۷- انواع ساختارها……………………… ۳۹

۲-۷-۱- روشهای گسیل نور در لیزر نیمه هادی….. ۴۰

۲-۷-۲- لیزر با ساختار تخت……………….. ۴۰

۲-۷-۳- مشکلات لیزر پیوندی همجنس…………… ۴۱

۲-۷-۴- لیزرهای پیوندی غیرهمجنس…………… ۴۲

۲-۷-۵- رابطه جریان و خروجی در لیزر تخت……. ۴۳

۲-۸- ساختار DFB…………………………. 44

۲-۸-۱- طیف خروجی از لیزر DFB……………… 45

۲-۹- تاثیرات دما به طیف گسیلی ساختارها……. ۴۶

۲-۱۰- مختصری راجع به بحث نوری……………. ۴۸

۲-۱۱- لیزرهای نیمه هادی و دیودهای نور گسیل… ۵۱

۲-۱۲- جریان آستانه – خروجی……………….. ۵۵

۲-۱۳- روشهای بهبود و افزایش بازده کوانتومی داخلی    ۵۷

۲-۱۴- لزوم اتصالات اهمی…………………… ۵۸

فصل سوم

طیف خروجی لیزر نیمه هادی و عوامل مؤثر بر آن

۳-۱- تغییرات چگالی جریان آستانه و فشار هیدروستاتیکی     ۶۱

۳-۲- واگرایی پرتو خروجی…………………. ۶۲

۳-۳- خروجی ساختارها……………………… ۶۳

۳-۴- محاسبه پهنای طیف در لیزرهای نیمه هادی در ساختارهای مختلف……………………………………… ۶۵

۳-۵- انواع پهنای طیف……………………. ۶۹

۳-۶- کوک پذیری لیزر نیمه هادی……………. ۷۳

۳-۷- روابط و معادلات مهم در تولید و بازترکیب حاملها  ۷۵

۳-۸- بهره در حالت پایا و جریان آستانه…….. ۷۹

۳-۹- اهمیت کاواک لیزر…………………… ۸۴

۳-۱۰- مدهای تولید شده در داخل کاواک………. ۸۹

۳-۱۱- تفاوت اساسی مدهای طولی و عرضی………. ۹۲

فصل چهارم

بررسی و تحلیل طیف های خروجی (کارهای تجربی)

پیشنهادات و نتایج

۴-۱- انواع اتصال دیود و طیف خروجی………… ۹۷

۴-۲- تحلیل مشخصه های لیزر نیمه هادی………. ۹۸

• مشخصه ولتاژ- جریان (V- I)………………… 98
• مشخصه جریان- مقاومت دینامیکی  …… ۱۰۱
• مشخصه جریان- توان (P- I)…………………. 102
• مشخصه جریان- راندمان کوانتومی دیفرانسیلی ۱۰۳
• مشخصه توان طول موج ………………. ۱۰۳

نمودارهای تجربی……………………. ۱۰۴

۴-۳- نتایج……………………………… ۱۱۲

پیشنهادات……………………………… ۱۱۵

منابع فارسی……………………………. ۱۱۶

منابع لاتین   ۱۱۷

چکیده ارتباط طیف خروجی و کاواک در لیزر نیمه هادی

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 ۵ لایه رونشستی توسط دستگاه LPE تهیه شده است که ضخامت لایه میانی یا لایه فعال برابر ۰۵/۰ 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 ۸ میکرون تا ۰۵/۰ میکرون به وسیله دستگاه AFM اندازه گیری شده است. شدت جریان آستانه در حدود A/cm^۲ ۷۰ برای تراشه ای به طول و عرض ۲۰۰*۳۰۰ میکرون محاسبه شده است.

مدهای ظاهر شده در شدت جریان بالاتر از آستانه، I_th ، 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 ۲۰۶ میکرون به دست آمده است که با مقدار تجربی ۶% خطا وجود دارد.

‌

مقدمه پایان نامه ارتباط طیف خروجی و کاواک در لیزر

 تا سال ۱۹۶۰ 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 بالقوه 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 ۱% 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 (۱۰^۲ تا ۱۰^۳) 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 ۱۰% از بسامدهای حاصل است در نتیجه یک باریکه لیزر می‎تواند تعداد زیادی برنامه تلویزیونی (با پهنای باند MHZ5) و تعداد زیادی مکالمه تلفنی (پهنای باند برای هر مکالمه تلفنی KHZ40) را به صورت همزمان منتقل کند.

محاسبه بازده کل ناشی از ترکیب خودبخودی

A ثابت انیشتن برای گسیل خودبخودی است و به انرژی های  بستگی ندارد برای نوعی GaAs مقدار A برابربا  است.

فرآیندهای تولید – بازترکیب: تحت تعادل گرمایی و در شرایطی که دما در صفر مطلق نباشد حاملهای نیمه هادی انرژی گرمایی دارند که این انرژی به دما بستگی دارد ارتعاشات گرمایی در شبکه باعث شکسته شدن پیوند اتمها می شود و زوج الکترون-‌حفره پدید می آید (peh) اگر فاصله بین لبه تراز ظرفیت و لبه تراز رسانش برابر یا بیشتر از انرژی گرمایی باشد الکترونها از تراز ظرفیت به تراز رسانش می روند و حفره‌ای در تراز ظرفیت بجا می گذارند این فرآیند را تولید حامل می گویند.

حال اگر یک الکترون از تراز رسانش با یک حفره از تراز ظرفیت ترکیب شود در اینصورت جفت (Peh) نابود می‌شود. در تعادل گرمایی آهنگ تولید (G) با  آهنگ باز ترکیب (R) است.

تک مدی بوسیله تانزو، ارائه شد فوتونهای ایجاد شده در اثر فرآیند باز ترکیب خودبخودی دارای فاز غیریکسان بوده و توزیع کاتوره‌ای دارند. در حالیکه فوتونهای ناشی از گسیل القایی در اثر پمپاژ، دارای بازده تولید، ثابت می باشند. در حالت کلی پهنای طیف، ، با افزایش تعداد فوتون زیاد می شود.

N_ph  تعداد فوتون موجود در یک تک مد لیزری است اگر فاکتور کیفیت کاواک لیزری که در فصل ۱ گفته شد را به خاطر بیاوریم:

می دانیم طول عمر فوتون  برابر است با

ضریب جذب داخلی می باشد توان لیزر در مد  mام برابر است با

با مقایسه روابط بالا داریم:

ثابت  در حدود تقریبی، ۲ ، برابر جریانهای بالای آستانه می‌باشد برای مثال در یک لیزر با اتلاف داخلی و اتلاف انتهایی   طول عمر فوتون و  چنین می باشد.

منابع

1. اوراسیو سوولتر- ترجمه: اکبر حریری، حسین گل نبی. اصول لیزر
2. ج ویلسون- ج. ف. ب هاوکز. ترجمه: دکتر عباس بهجت. اصول لیزر و کاربردها
3. جوزف تامس وردین ترجمه: دکتر محمد کاظم مروج فرشی- دکتر حسین گل نبی الکترونیک لیزر
4. رساله دکتری برق الکترونیک، مدلسازی و شبیه سازی نور در لیزر نیمه هادی عباس ظریفکار- تابستان ۱۳۸۳ دانشگاه تربیت مدرس
5. پایان نامه کارشناسی ارشد الکترونیک- شبیه سازی و آنالیز یک لیزر نیمه هادی با ساختار Index Guided حسین سالار عابدی پاییز ۱۳۷۷ دانشگاه تربیت مدرس
6. پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی برق الکترونیک، آنالیز و شبیه سازی ساختار استاتیک لیزر نیمه هادی در سطح گسترده. حمیدرضا شیرکوهی. تابستان ۱۳۷۶ دانشگاه تربیت مدرس
7. پایان نامه کارشناسی ارشد. لیزرهای GaAs و کاربردهای آن در مخابرات. محمدعلی صادق‌زاده، دانشگاه اصفهان، ۱۳۶۸
8. پایان نامه کارشناسی ارشد، بررسی تحلیلی طیف اپتیکی لیزرهای نیمه هادی. فاطمه وزیری، ۱۳۷۷ دانشگاه تربیت مدرس
9. پایان نامه کارشناسی ارشد، بررسی و ساختار لیزری GaAs. ناصر مصلحی میلان- دانشگاه یزد.