ارتباط میان طیف خروجی و کاواک در لیزر نیمه‌هادی

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 لایه میانی یا لایه 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، 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 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 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 λ=694nm عبارتست از 4/3.10¹⁴HZ 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 آنها بهره می‎گیرد دارای پهنای باند اطلاعاتی، شامل 10% 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.

هدف:

هدف از انتخاب این موضوع، لیزر نیمه هادی، از چندین بخش تشکیل یافته است:

• لیزر نیمه هادی به خاطر سهولت کاربرد و کارایی وسیع آن در مخابرات از مهمترین نوع لیزرها می‎باشد.
• 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.
• 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.
• 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 ناحیه 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-n عمل 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 محدوده 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 زمینه کاری لیزر و طول موج خاص را بکار برد.

1-1- خواص باریکه لیزر:

نور لیزر به علت داشتن چهار ویژگی زیر دارای تمایز با نور معمولی است:

1. تکفامی
2. همدوسی
3. جهتمندی
4. درخشایی

• تکفامی: تنها موج الکترومغناطیسی با فرکانس f که از رابطه 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.)

• 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 , P₁ را که در لحظه t = 0 روی جبهه 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 لحظه  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 نقطه دلخواه جبهه 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 لحظه  در نقطه P در نظر میگیریم اگر در زمان تاخیر مفروض t اختلاف فاز دو میدان در هر لحظه t یکسان 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 تاخیر ζ صورت گیرد به نحوی که  گفته می‎شود موج دارای همدوسی پاره ای زمانی با زمان همدوسی t₀ است.

1-2 مواد نیمه هادی

یادآوری چگالی حالات: معادله شرودینگر برای الکترون آزاد در سه بعد در مختصات دکارتی بصورت زیر نوشته می شود.

با حل معادله بالا تابع حالت بصورت زیر بدست می آید:

اگر چگالی حالات را با (g(E در فضای انرژی و با  (g(K در فضای اندازه حرکت نشان دهیم داریم .

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) – 98
• مشخصه جریان- مقاومت دینامیکی – 101
• مشخصه جریان- توان (P- I) – 102
• مشخصه جریان- راندمان کوانتومی دیفرانسیلی – 103
• مشخصه توان طول موج – 103
• نمودارهای تجربی – 104
• 4-3- نتایج – 112
• پیشنهادات – 115
• منابع فارسی – 116
• منابع لاتین – 117