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

Лабораторные работы по оптоэлектронике Передача информации по оптоволокну

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Экспериментальная установка, принципиальная блок-схема которой приведена на рис.5, состоит из узла источника излучения с полупроводниковым лазером (ПЛ), узла приемника излучения, включающего приемник излучения (ПИ), поляризационного светофильтра (ПС) и измерительных приборов (мультиметры – М1 и М2).

Установка смонтирована на оптическом рельсе. Каждый узел (узел источника излучения и узел приемника излучения) установлен в стойке и закреплен на рейтере. Узлы расположены на оптическом рельсе, который определяет оптическую ось системы. Поляризационный светофильтр может быть отдельным элементом на рельсе (узел ПС - светофильтр в специальной оправе установлен на в отдельном рейтере) или совмещен с узлом приемника излучения (светофильтр смонтирован в форме насадки на входное окно фотоприемника). В качестве измерительных приборов используются мультиметры, с помощью которых в работе производится измерение напряжения (U), тока (I) и сопротивления (R). Измерение интенсивности излучения в данной работе производится в относительных единицах, в качестве которых используются единицы измерения тока (А – ампер).

 


Рис.5.Блок-схема экспериментальной установки. ПЛ - полупроводниковый лазер, ПС – поляризационный светофильтр, ПИ – приемник излучения, М1 и М2 - измерительные приборы (мультиметры).

Узел источника излучения, содержит полупроводниковый лазерный модуль (ПЛ), подключенный к источнику электропитания. Принципиальная электрическая схема установки для исследования излучения полупроводникового лазера представлена на рис.6. Лазер включается тумблером Т. Напряжение от источника питания (лабораторная сеть электропитания 4,5 В или батарея аккумуляторов 4,8 В) через сопротивления R1 и RП подается на лазерный модуль, при этом через p-n переход протекает ток Ipn, регулировка которого осуществляется потенциометром RП.

Рис.6.Электрическая схема установки для исследования зависимости интенсивности излучения полупроводникового лазера от величины тока, протекающего через p-n переход. ПЛ – полупроводниковый лазер, ПИ – приёмник излучения, ИП – источник питания постоянного тока 4,5 В; R1 – постоянное сопротивление, Rп - переменное сопротивление, Т – тумблер для включения и выключения питания лазера; V– вольтметр (мультиметр), А – амперметр (мультиметр).

Исследование зависимости интенсивности лазерного излучения

от величины тока, протекающего через p-n переход

Величина тока протекающего через p-n переход измеряется косвенным образом: вольтметром V1 (шкала V на мультиметре М1) измеряется падение напряжения на сопротивлении R1 (UПЛ), который включен последовательно с p-n переходом, а значение Ipn вычисляется по закону Ома. Регулировка Ipn производится потенциометром RП (переменное сопротивление).

Узел приемника излучения снабжен фотодиодом ФД-24К, который работает в фотогальваническом режиме. Под воздействием светового потока, падающего на входное окно фотодиода, возникает фотоэдс, и в замкнутой цепи течет ток, величина которого измеряется мультиметром М2 по шкале тока (IПИ). В данных условиях эксперимента величина IПИ прямо пропорциональна интенсивности лазерного излучения (потоку излучения). Типичная зависимость интенсивности лазерного излучения от величины тока, протекающего через p-n переход, приведена на рис. 7.

Рис.7.Зависимость интенсивности излучения лазера от тока, протекающего через p-n переход. Iпор. – величина порогового тока.

ОПТОПАРЫ


Комбинацией опто и фотоэлектронных приборов является оптопара (оптрон). Структура оптопары приведена на рис. 11. В ней входной электрический сигнал Iвх преобразуется в оптический сигнал Ф, в качестве преобразователя обычно используют светодиод или полупроводниковый лазер (излучатель). Оптический сигнал Ф распространяется через оптический канал. Канал может быть открытым (вакуум, газ или жидкость) и закрытым (оптический световод). На выходе оптического канала имеется фотоэлектронный преобразователь – фотоприемник (фоторезистор, фотодиод, фототранзистор или фототиристор) в котором оптический сигнал Ф преобразуется в электрический Iвых. Двойное преобразование входного сигнала I→Ф и Ф→I позволяет получить практически идеальную гальваническую развязку входного и выходного сигналов, невосприимчивость оптических каналов к электромагнитным помехам, однонаправленность потока информации, отсутствие обратной связи с выхода на вход и широкую полосу пропускания. К недостаткам оптопар следует отнести нелинейность их проходных характеристик, низкий КПД, температурную зависимость параметров, и высокий уровень собственных шумов.


В диодной оптопаре (рис. 12,а, 13,а) излучателем служит инфракрасный светодиод на основе арсенида галлия, фотоприемный элемент – фотодиод на основе кремния. Максимум спектральной характеристики GaAs светодиода расположен около λmax ≈ 1 мкм. При облучении фотодиода инфракрасным светом с λ ~ 1 мкм в нем возникает генерация пар носителей заряда – электронов и дырок (внутренний фотоэффект). Интенсивность генерации пропорциональна силе света и, следовательно, входному току оптопары (току через светодиод). Свободные электроны и дырки разделяются электрическим полем p–n-перехода фотодиода и заряжают p-область положительно, а n-область отрицательно. На выходных клеммах оптопары появляется фото-ЭДС Uхх. Описанный режим работы оптопары называется фотогенераторным режимом. Передаточная характеристика оптопары в фотогенераторном режиме нелинейна: при увеличении входного тока фото-ЭДС приближается к контактной разности потенциалов на p–n-переходе Uхх ≤ 0.5÷0.6 В.


повысить оригинальность бесплатно
Полупроводниковые детекторы оптического излучения