Оптоэлектроника Электроника полупроводников Волоконно-оптический световод Мультиплексоры и демультиплексоры Фотопроводимость Фотодиоды

Лабораторные работы по оптоэлектронике Передача информации по оптоволокну

ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Определить дифракционную эффективность (ДЭ) каждой из наложенных голограмм (i=1,2,..), используя формулу:

ДЭi  = (Iд)i мах / Iпад (1),

где (Iд)iмах – максимальное значение интенсивности дифрагированного излучения i-той голограммы, Iпад – интенсивность падающего излучения. Данные занести в табл.1 и табл.3.

Рассчитать φ, заполнив столбец 3 в таблице 2. Расчет производить по формуле:

φ = (Ni - N0)·q [радиан]  (2),

где рекомендуется использовать (Ni - N0) [мм] и q [радиан/мм].

Построить график зависимости Iд(φ) для исследуемой мультиплексной голограммы, как показано на рис.8.

Определить угловую селективность (qi) каждой из наложенных голограмм. Dqi определяется как полуширина соответствующего (i-того) пика зависимости Iд (φ) как показано на рис.8. Dqi оценить в мрад. Данные занести в табл.3.

Оценить информационную емкость (V) единицы площади виртуального оптического элемента – голографического диска, который может быть изготовлен на основе использованного в данной работе образца регистрирующей среды, заполнив таблицу 4.

Проанализировать полученные результаты и сделать выводы. 

Таблица 3. Параметры наложенных голограмм.

№ наложенной голограммы

Дифракционная

эффективность

Угловая селективность, Dqi, мрад

Примечания

1

2

3

….


Таблица 4. Информационная емкость единицы площади виртуального голографического компакт-диска при различных условиях считывания.

№ п/п

Форма записи

Изменение угла падения считывающего пучка – ΔΦ

Инф.емкость  на ед. площади, V

Страниц

Бит

1

Постранично

0 (без изменения)

1

50

2

Постранично

1 град

3

Постранично

0,1 радиан

4

Постранично

5 град

5

Постранично

0,01 радиан

Исходные данные для заполнения таблицы 4.

Одна голограмма представляет собой один фрагмент регистрируемой информации, т.е. одну страницу текста;

При записи одной голограммы (одной страницы текста) информационная емкость единицы площади виртуального диска - V1=50 бит;

Угловое расстояние между соседними голограммами при считывании отдельных наложенных голограмм (Dφ) составляет величину 2,5Dq;

Dq определяется как среднее измеренное значение по табл.3.

 Элемент рассчитан на работу в заданном диапазоне углов падения (DF) считывающего пучка на образец-носитель (данные в столбце 3 таблицы 4). 

Информационная емкость единицы площади диска V определяется количеством наложенных голограмм на данном участке диска, которые могут быть зарегистрированы при заданном DF, и значением угловой селективности отдельных голограмм Dq. Расчет производится по формуле:

V = V1 (DF/Dφ)  = V1 (DF/ 2,5Dq) (3).

Рекомендуемая литература

Проблемы когерентной и нелинейной оптики. – СПб: СПб ГУ ИТМО. – 2006. - С.6-36.

Денисюк Ю.Н. Принципы голографии. - Л.:ГОИ. - 1978. – 125С.

Акаев А. Оптические методы обработки информации. – СПб: СПб ГУ ИТМО. – 2005.

Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. - М.:Мир. 1973. – 686С.

Оптическая голография. Под ред. Колфилда Г. - М.:Мир. 1982. - т.1, т.2.

Контрольные вопросы

В чем заключаются преимущества использования голографической памяти?

Что такое наложенная запись голограмм, и для какого типа голограмм она возможна?

За счет чего производится уплотнение информации в устройствах хранения информации?

Основные свойства объемных голограмм?

Что такое «селективность голограммы»?

Как записываются наложенные голограммы?

Дать определение дифракционной эффективности голограммы.

Дать определение условия Брэгга.

Как изменяется угол Брэгга (qБр) при переходе от одной наложенной голограммы к другой в данной работе?

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ

 Спектральная характеристика светоизлучающих диодов выражает зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света и дает представление о цвете свечения прибора. Обычно излучение светодиодов является монохроматическим. Ширина максимума спектральной характеристики излучения по уровню 0,5 составляет Δλ = 0.03÷0.05 мкм. Длина волны излучаемого света λ определяется разностью энергий ΔE двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов на излучательном этапе процесса рекомбинации

 λ = hc/ΔE, (3)

где h = 6.626·10–34 Дж·с = 4.14·10−15эВ·с – постоянная Планка,

с = 2.998·108 м/c – скорость света.

 Величина ΔE близка к энергетической ширине запрещенной зоны полупроводника (ΔE ≤ ΔW). Чтобы кванты света – фотоны, освободившиеся при рекомбинации, соответствовали квантам видимого света (0.4 < λ < 0.7 мкм), ширина запрещенной зоны должна быть относительно большой (ΔW > 1.8 эВ).

 В настоящее время для изготовления светоизлучающих диодов используются кристаллы соединений типов АIIIВV (элементов III и V групп таблицы Менделеева) табл. 1:

– арсенид галлия GaAs, ΔW = 1.42 эВ, максимум излучения лежит в инфракрасной области λ = 0.89 мкм;

– фосфид галлия GaР, ΔW = 2.27 эВ, максимум излучения в зеленой области спектра λ = 0.55 мкм;

– нитрид галлия GaN, который имеет наибольшую ширину запрещенной зоны ΔW = 3.4 эВ, что позволяет получать излучение в синей области, вплоть до фиолетового.

  Тройные соединения GaAsx–1 Px и GaAsx–1 Alx, где x – концентрация фосфора или алюминия, используют, в основном, для получения диодов красного цвета свечения. Кроме того, находят применение и другие широкозонные полупроводники, например, карбид кремния SiC (AIVBIV) свечение в диапазоне λ = 0.56÷0.63 мкм, сульфид цинка ZnS (AIIBVI) ΔW = 3.74 эВ, максимум спектрального распределения излучения на длине волны λ = 0.38 мкм (фиолетовая часть спектра).

  Диоды на основе фосфида галлия имеют спектральные характеристики с двумя выраженными максимумами излучения с длинами волн λ = 0.55 мкм и λ = 0.70 мкм. В зависимости от вида и количества легирующих примесей (цинк, кислород или азот) внедренных в структуру излучающего кристалла при изготовлении, изменяются соотношения между этими максимумами. В результате получают диоды зеленого, желто-оранжевого или красного цвета свечения.

 Арсенид галлия GaAs является прямозонным полупроводником. В прямозонных полупроводниках могут происходить как излучательные, так и безизлучательные рекомбинации. Соотношение между излучательными и безизлучательными рекомбинациями характеризует внутренний квантовый выход η, который является важнейшим показателем светоизлучающего диода:

 ηвнутр = Nизл/ Nинж,  (4)

где Nизл – число излученных фотонов, а Nинж – число инжектированных носителей в единицу времени.

 Внутренний квантовый выход определяется соотношением концентраций и сечений захвата центров излучательной и безизлучательной рекомбинации. Поэтому в окрестности p–n-перехода стремятся снизить количество дефектов кристаллической решетки и нежелательных примесей с тем, чтобы уменьшить скорость безизлучательной рекомбинации.

 Фосфид галлия является непрямозонным полупроводником. В тройных соединениях GaAsP отношение прямых и непрямых переходов уменьшается с увеличением концентрации фосфора. Основной вклад в излучательную рекомбинацию вносит рекомбинация через примесные центры.

Основными легирующими соединениями в светодиодах на основе соединений АIIIВV являются:

– элементы II группы Zn и Mg – акцепторы;

– элемент V группы N – изоэлектронная примесь;

– элементы VI группы S, Se, Te – доноры;

– комплексы Zn-O, Cd-O, которые играют роль глубоких ловушек для электронов.

 На первой ступени акта рекомбинации (переход электрона из зоны проводимости на донорный уровень или переход с акцепторного уровня в валентную зону) изменяется волновой вектор электрона. Ионы доноров или акцепторов являются своеобразными посредниками, получающими от электрона и передающими решетке импульс фонона. Благодаря этому становятся возможными излучательные переходы с донорного или акцепторного уровней (рис. 4 и 6). Следует отметить, что рекомбинация через примесные центры характеризуется меньшей величиной энергии фотона (сдвиг в красную область спектра), чем при прямом межзонном переходе. При этом характерно, что энергия фотона при рекомбинации донор – свободная дырка в n-полупроводнике (рис. 4, б) обычно больше, чем акцептор – свободный электрон в p-полупроводнике (рис. 4,в). Причина состоит в том, что глубина залегания донорных уровней обычно меньше, чем акцепторных.

 В видимой области спектра внутренний квантовый выход ηвнутр у диодов с гомопереходом составляет единицы процентов, у диодов с гетеропереходом – может составлять единицы – десятки процентов.


Полупроводниковые детекторы оптического излучения