دانشگاه آزاد اسلامی- واحد تهران مرکزی
رشته فیزیک گرایش جامد
تعداد صفحات:120
نوع فایل :WORD
چکیده پایان نامه ارتباط بین 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 لایة میانی یا لایة 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/cm2 70 برای تراشه ای به طول و عرض ۲۰۰*۳۰۰ 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 ۲۰۶ میکرون به دست آمده است که با مقدار تجربی ۶% خطا وجود دارد.
قسمتی از پایان نامه ارتباط بین طیف خروجی و کاواک در لیزر نیمه هادی :
فصل 1
مقدمه ای بر لیزر (مبانی لیزر)
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
هدف:
هدف از انتخاب این موضوع، لیزر نیمه هادی، از چندین بخش تشکیل یافته است:
1- لیزر نیمه هادی به خاطر سهولت کاربرد و کارایی وسیع آن در مخابرات از مهمترین نوع لیزرها میباشد
2- توان الکتریکی مصرف شده برای راه اندازی لیزر نیم رسانا بسیار پایین تر از سایز لیزرها میباشد چنین لیزری ممکن است با بازده بالای 50% کار کند علت بالا بودن بازده، بخاطر کوچک بودن ابعاد و در نتیجه بالا رفتن چگالی جریان میباشد
3- در لیزر نیمه هادی آینه معمولی، به عنوان فیدبک اپتیکی وجود ندارد در چنین لیزری آینه های لیزری، از برش (کلیو) نمودن ساختار بلوری ایجاد میشود
4- قابلیت کنترل خروجی با استفاده از تغییرات در ساختار نیمه هادی (اعم از ناخالصی ها و گاف نوار و …)
…
در این مطالعه، سعی شده است تا با بررسی روابط میان پارامترهای مختلف اعم از جریان آستانه، توان خروجی، اثرات موجبری و …بتوان با تقریب خوبی، خروجی مورد نظر در کارهای مختلف را تولید نمود
شباهت و تفاوت لیزر نیمه هادی با سایر لیزرها:
لیزرهای نیمه هادی شبیه سایر لیزرها (لیزر حالت جامد، یاقوت و …) هستند و در آنها تابش گسیلی دارای همدوسی زمانی و مکانی بوده و پرتو لیزری آنها بسیار تک رنگ (پهنای باند کوچک) و از راستاییِ زیادی، برخوردار هستند اما لیزرهای نیمه هادی در بعضی جنبه ها با سایر لیزرها تفاوتهایی دارند از جمله:
1- در لیزرهای رایج گذارهای کوانتومی بین ترازهای انرژی مجزا صورت میگیرد در حالیکه در لیزر نیمه هادی گذارها به خواص نوری مواد بستگی دارند
2- لیزرهای نیمه هادی بسیار کوچکند بعلاوه از آنجا که ناحیة فعال آنها خیلی نازک است (ضخامت حدود یک میکرون یا کمتر) در نتیجه واگرایی خروجی بطور قابل ملاحظه، از لیزرهای معمول بزرگتر است که این از مشکلات این لیزر محسوب میشود
3- مشخصات بینایی لیزرهای نیمه هادی شدیداً به خواص محیط پیوند (نظیر گاف نوار، و تغییرات ضریب شکست) بستگی دارد
4- در لیزرهای پیوندی p-nعمل لیزری بسادگی در اثر عبور جریان مستقیم از دیود صورت میگیرد و رویهم رفته سیستم کارایی زیادی دارد و مدولاسیون مدها به علت طول عمر کوتاه فوتون در محدودة فرکانس زیاد امکانپذیر میباشد که این مدولاسیون توسط جریان تزریقی انجام میشود
یکی از ویژگیهای ممتاز لیزر نیمه هادی، که باعث کاربرد آن در مخابرات شده است قابلیت کوپل شدن با سایر ابزارهای اپتیکی از جمله فیبرهای نوری است و دلیل آن کوچکی ابعاد و ساختارش میباشد نور تولید شده در لیزر نیمه هادی زمانی قابل استفاده در صنایع مخابرات است که بتوان آنرا در تارهای شیشه ای باریک (فیبرهای نوری به قطر حدوداً چند میکرون) انتقال داد
بطور کلی هدف این است که شخص بتواند با بررسی طیف خروجی، اطلاعاتی راجع به ساختار لیزر، میزان ناخالصی های بکار رفته، در ترکیبات نیمه هادی جریان آستانه و …بدست آورد تا با این طریق بتوان برای هر زمینة کاری لیزر و طول موج خاص را بکار برد
1-1- خواص باریکة لیزر:
نور لیزر به علت داشتن چهار ویژگی زیر دارای تمایز با نور معمولی است:
1- تکفامی 2- همدوسی 3- جهتمندی 4- درخشایی
1- تکفامی: تنها موج الکترومغناطیسی با فرکانس fکه از رابطة زیر بدست میآید تقویت میشود:
(چون آرایش دو آینه ای کاواک، تشدیدی ایجاد می‌کند که نوسان تنها در فرکانسهای تشدید این کاواک انجام می پذیرد)
2- همدوسی: برای هر موج الکترومغناطیسی دو مفهوم مستقل همدوسی میتوان تعریف کرد:1- همدوسی زمانی 2- همدوسی فضایی
برای تعریف همدوسی فضایی دو نقطه P2 , P1را که در لحظه t = 0روی جبهة یک موج الکترومغناطیسی قرار دارند در نظر می گیریم و فرض می کنیم E2(t) , E1(t)میدانهای الکتریکی متناظر در آن دو نقطه باشد بنابر تعریف، اختلاف فاز دو میدان در لحظة صفر است اکنون، اگر این اختلاف در هر لحظه صفر باقی بماند می گوییم بین دو نقطه یک همدوسی کامل برقرار است (و چنانچه برای هر دو نقطة دلخواه جبهة موج الکترومغناطیسی چنین وضعیتی برقرار باشد می گوییم موج دارای همدوسی کامل فضایی است)
حال برای تعریف همدوسی زمانی، میدان الکتریکی موج الکترومغناطیسی را در دو لحظة در نقطه Pدر نظر می گیریم اگر در زمان تأخیر مفروض tاختلاف فاز دو میدان در هر لحظه tیکسان باقی بماند می گوییم در مدت زمان همدوسی زمانی وجود دارد اگر این اختلاف فاز برای هر مقدار t، یکسان باقی بماند گفته میشود که موج الکترومغناطیسی دارای همدوسی کامل زمانی است و اگر این امر برای مدت زمان تأخیر صورت گیرد بنحوی که گفته میشود موج دارای همدوسی پاره ای زمانی با زمان همدوسی است
3- جهتمندی: این خاصیت نتیجه مستقیم این امر است که مادة فعال لیزری به شکل زیر در داخل کاواک قرار داده شود در واقع فقط موجی که در امتداد کاواک منتشر میشود (یا در امتدادی که خیلی نزدیک به آن است) میتوان در کاواک دوام بیاورد ابتدا به بررسی همدوس کامل فضایی میپردازیم: فرض میشود باریکه ای با شدت یکنواخت و جبهة موج تخت روی پرده sکه دارای یک گشودگی است فرود میآید طبق اصل هویگنس، جبهة موج در هر صفحه Pدر پشت پرده با برهم نهش موجهای جزئی که از هر نقطه گشودگی گسیل میشود بدست میآید به علت متناهی بودن اندازه گشودگی، D، باریکه دارای واگرایی محدود است مقدار واگرایی از نظریه پراش بدست میآید:
فهرست مطالب پایان نامه ارتباط بین طیف خروجی و کاواک در لیزر نیمه هادی :
چکیده
فصل اول : مقدمه ای بر لیزر (مبانی لیزر)
مقدمه
هدف
شباهت و تفاوت لیزر نیمه هادی با سایر لیزر ها
خواص بار یکه لیزر
انواع لیزر
وارونی انبوهی
پهن شدگی طیفی و انواع آن
انواع کاواک نوری (فیدبک)
برهم نهی امواج الکترومغناطیسی
فصل دوم : لیزر نیمه هادی و انواع ساختار آن
مواد نیمه هادی
بازده گسیل خودبخودی
انواع باز ترکیب
گاف انرژی و انواع آن
وارونی انبوهی و روش پمپاژ در لیزر نیمه هادی
اتصال p- n اولین تحقق لیزر نیمه هادی
انواع ساختار ها
ساختار DFB
تاثیرات دما به طیف گسیلی ساختار ها
مختصری راجع به بحث نوری
لیزر های نیمه هادی و دیود های نور گسیل
جریان آستانه – خروجی
روش های بهبود و افزایش بازده کوانتومی داخلی
لزوم اتصالات اهمی
فصل سوم : طیف خروجی لیزر نیمه هادی و عوامل مؤثر بر آن
تغییرات چگالی جریان آستانه و فشار هیدروستاتیکی
واگرایی پرتو خروجی
خروجی ساختار ها
محاسبه پهنای طیف در لیزر های نیمه هادی در ساختار های مختلف
انواع پهنای طیف
کوک پذیری لیزر نیمه هادی
روابط و معادلات مهم در تولید و بازترکیب حامل ها
بهره در حالت پایا و جریان آستانه
اهمیت کاواک لیزر
مدهای تولید شده در داخل کاواک
تفاوت اساسی مدهای طولی و عرضی
فصل چهارم : بررسی و تحلیل طیف های خروجی (کار های تجربی)
پیشنهادات و نتایج
انواع اتصال دیود و طیف خروجی
۱- مشخصه ولتاژ- جریان (V- I)
۲- مشخصه جریان- مقاومت دینامیکی
۳- مشخصه جریان- توان (P- I)
۴- مشخصه جریان- راندمان کوانتومی دیفرانسیلی
۵- مشخصه توان طول موج
نمودارهای تجربی
نتایج
پیشنهادات
منابع فارسی
منابع لاتین
فهرست منابع استفاده شده در پایان نامه ارتباط بین طیف خروجی و کاواک در لیزر نیمه هادی :
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- رسالة دکتری برق الکترونیک، مدلسازی و شبیه سازی نور در لیزر نیمه هادی عباس ظریفکار- تابستان 1383 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 1377 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 1376 دانشگاه تربیت مدرس
7- پایان نامه کارشناسی ارشد. لیزرهای GaAs و کاربردهای آن در مخابرات. محمدعلی صادق‌زاده، دانشگاه اصفهان، 1368
8- پایان نامه کارشناسی ارشد، بررسی تحلیلی طیف اپتیکی لیزرهای نیمه هادی. فاطمه وزیری، 1377 دانشگاه تربیت مدرس
9- پایان نامه کارشناسی ارشد، بررسی و ساختار لیزری GaAs. ناصر مصلحی میلان- دانشگاه یزد.
Refrence
Books:
[1]. Mitsu Fukuda , Reliability and Degradation of semiconductor lasers and LEOS, Boston London 1991.
[2]. Motoichiahtsu, Frequency control of semiconductor lasers. Tokyo institut of technology. 1996.
[3]. Tet Sahiko. Ikegami , shoichi sudo, Yoshihisa sakai , Frequency stabilization of semiconductor laser Diode Boston London 1995.
[4]. Takahiro Numa. Fundamentals of semiconductor lasers. Optical sciences 1993.
Papers:
[5]. Diode lasers and photonic integrated circuids
[6]. N. C. Frateschi. A. P. kanjamalu, and A. F. J. levi Appy phys 66 (15) 1995., polarization of lasing emission in micro disk laser diodes.
[7]. Eur. J. phy. 18 (1997) 63-67. Analysis of light- emission processes in light- emitting diodes and semiconductor lasers.
[8]. Am chinley , AW Parke, GJHughes A Tomi cally clean semiconductor surfaces J. Phy. D: Apply phys 13 (1980)
[9]. A. J. Kent, A. Egan. J. G. Mcinerney , J. r. mloney, Enhanced diffraction limited out put power of tapered gain semiconductor lasers 1999/vol.2. No 13/optics EXPRESS.
[10]. Sugimimyra, A, IEE. J. Quantum Electron vol __ 5 P. 627. 1981
[11]. No Holonyak Jr and S.F. H. H. Dill , Jr. stimulated emission of radiation from GaAs p-n Junction. Apply phys lett 1 (1962)
[12]. M. W. Fleming and A. Mooradian. Fundamental line broadening of single mode (GaAl)As diode ___ lasers. Apply phys. Lett 38 511-513 (1981)
[13]. M. okai and T. Tuchiya , Tunable DFB lasers with ultra – narrow spectral line width. Electron lett 29 , 349- 351 (1993).
[14]. M. Okai, spectral characteristics of distributed feedback semiconductor lasers and their improvements by corrugation- pitch- modulated structure. J Appl. Phys 75, 1-29 (1994).
[15]. M. Okai, T. Tsuchiya. A. Takai , and N. Chinone factors limiting the spectral line width of CPM- MQW- DFB lasers. IEEE photo. Technol lett 4. 526- 528 (1992)
[16]. M. W. Fleming and A. Mooradian , Fundamental Appl. Phys. Lett. 38. 511-513 (1981).
[17]. M. Aoki , K. Uomi, T. Tsuchiya, s. sasaki , M. okai , and N. Chinone , Quantum size effect on longitudinal spatial hole hurning in MQM shifted DFB lasers. IEEE. J. Quantum Electron 1991.
دانلود پایان نامه ارتباط بین طیف خروجی و کاواک در لیزر نیمه هادی
