بسم الله الرحمن الرحیم1

سمینار فوتونیک

منابع فوتونی نیمه هادی

استاد: دکتر کاشانی

ارائه :مهندس سید مرتضی احمدی مالسرایی

1393 اردیبهشت تاریخ:

منابع فوتونی نیمه رسانا:2

دیود های ساطع کننده نور

-الکترولومینسانس تزریقی -خصوصیات دیودهای نوری -مواد و ساختارها

تقویت کننده های نوری نیمه هادی-بهره و پهنای باند -پمپ کردن -هترواستراکچر -ساختار های چاه کوانتومی

-دیودهای ابردرخشان

دیودهای لیزری

-تقویت، فیدبک ، و نوسان -توان و بازده -خصوصیات فضایی و طیفی

لیزرهای میکروکویتی و کوانتومی محدود

-لیزرهای کوانتومی محدود -لیزرهای میکروکویتی -مواد و ساختارهای ابزار

مقدمه:3

.در اثر ترکیب مجدد الکترون و حفره در نیمه رساناها از آنها نور ساطع می شود

.در دمای اتاق نرخ این ترکیب مجددها به حدی نیست که قابل مالحظه باشد

.با یک منبع انرژی خارجی می توان نیمه هادی ها را به درخشش وا داشت

یک روش مناسب برای این کار بایاس کردن مستقیم یک پیوندp-n.می باشد

این کار باعث تزریق همزمان الکترون و حفره به ناحیه نزدیک پیوند می شود و درخشش می نامند.الکترولومینسانسحاصل از این ترکیبات را

هم از یک پیوند دیود نوری یکp-n ماده نیمه رسانا با باند انرژی مستقیم تشکیل شده که می تواند الکترولومینسانس انجام دهد.

اگر این ولتاژ از حد معینی بیشتر شود تجمع معکوس الکترونها و حفره ها می تواند باعثپیشی گرفتن تابش تحریکی از جذب می شود و در این حالت می توان از این پیوند به عنوان

استفاده نمود.تقویت کننده نوری یک

تبدیل نمود.لیزر دیودی با فیدبک مناسب می توان این سیستم را به یک

دیود های ساطع کننده نور- 4الکترولومینسانس در حالت تعادل دمایی: الکترولومینسانس تزریقی

.ترکیب مجدد الکترون و حفره می تواند باعث تابش نور از یک ماده نیمه هادی شود

در دمای اتاق نرخ این ترکیبات مجدد بسیار پایین و در نتیجه شار فوتونی حاصل پاییناست.

مثال ) تابش فوتون از گالیم آرسنیک در دمای اتاق(

&rr=10-10 در دمای اتاق

= 324 photon/ Eg=1.42 ev Optical power density=7.4* W/ در حالت تعادل دمایی تزریق ناخالصی به مواد نمی تواند تاثیر زیادی بر شدت تابش داشته

باشد،زیرا به دلیل ثابت بودن دوپینک تاثیر چندانی بر نسبت الکترون و حفره ها ندارد.

دیود های ساطع کننده نور- الکترولومینسانس 5الکترولومینسانس در حضور حامل های تزریق شده : تزریقی

.نرخ تابش فوتونی را می توان با استفاده از یک منبع خارجی به شکل قابل مالحظه ای افزایش داد

این کار معموال با بایاس مستقیم یک پیوندp-n که به عنوان یک تزریق کننده جفت های حامل به ناحیه پیوند عمل می کند انجام می شود.

نرخ تابش فوتون به دو عاملR.نرخ پمپ لیزر( و )شار فوتونی( وابسته است(

نرخ باز ترکیب الکترون حفره :

.در حالت تعادل پایدار نرخ تولید )پمپ( و بازترکیب با هم برابرند

:اگر نرخ تزریق حامل به اندازه ی کافی کوچک باشد،داریم

یا بهره کوانتومی داخلی نقش مهمی در تعیین عملکرد این مبدل های الکترون به فوتون ایفا می کند.

برای ساختLED ها از نیمه هادی های با باند انرژی مستقیم که در آنها بسیار بزرگ تر از نیمه هادی های غیر مستقیم است استفاده می شود.

دیود های ساطع کننده نور- الکترولومینسانس 6چگالی طیفی فوتون های الکترولومینسانسی: تزریقی

چگالی طیفی نور الکترولومینسانس تزریقی را می توان از تئوری تابش باند به باند( تعیین نمود.16) فصل

=

dE=n= , dE=p=

شار فوتونی خودبه خودی

دیود های ساطع کننده نور-خصوصیات دیودهای 7نوری

دیود نوری(LED یک پیوند )p-n بایاس مستقیم شده با نرخ بازترکیب باالی ناشی از حامل های اقلیت تزریق شده است.

بایاس مستقیم باعث می شود که الکترون ها از ناحیهn و حفره ها از ناحیه p به سمت ناحیه پیوند حرکت کنند .

در ناحیه پیوند این الکترون ها و حفره ها با هم ترکیب می شوند و باعث ساطع شدنفوتون می گردند.

به این صورت می توان بهره کوانتوی داخلی)( را به صورت نسبت فوتون های

تولید شده به الکترون های تزریق شده تعریف نمود.

شار فوتونی داخلی را می توان با استفاده از چیدمان های دوتایی هترواستارکچرها( تقویت نمود. 16)فصل

𝑛𝑢𝑚𝑏𝑒𝑟 𝑜𝑓 𝑐𝑎𝑟𝑟𝑖𝑒𝑟𝑠𝑝𝑒𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜𝑛𝑑 :𝑖𝑒

𝑝𝑢𝑚𝑝𝑖𝑛𝑔𝑟𝑎𝑡𝑒 :𝑅=

𝑖𝑒𝑉

∆𝑛=𝑅𝜏⇒Δ𝑛=

(𝑖𝑒

)𝜏

𝑉

𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑙𝑝h𝑜𝑡𝑜𝑛 𝑓𝑙𝑢𝑥 :𝜙=𝑛𝑖𝑖𝑒

دیود های ساطع کننده نور-خصوصیات دیودهای 8راندمان خروجی:نوری

تمام نور تولید شده درLED قابل رویت نمی باشد. برای مثال در شکل زیر سه مسیر A,B,C:برای شار فوتونی رسم شده است

تابش در جهتA با ضریب تضعیف می شود. که ضریب جذب ناحیه n

است.nو فاصله محل پیوند تا سطح ماده نوع

همچنین به دلیل ضریب انعکاس بیت سطح نیمه هادی با هوا تنها

داریم: Aاز نور از محیط خارج می شود. در نتیجه برای مسیر

در مسیرB :نور مسافت بیشتر را در نیمه هادی طی می کند پس

نور در مسیرC با زاویه بیشتر از زاویه بحرانی به سطح برخورد می کند و به داخل محیط باز می گردد، درصدی

از این نور بازگشتی دوباره می تواند در محیط فوتون های دیگر را تحریک کند و با ضریب از محیط خارج شود.

دیود های ساطع کننده نور-خصوصیات 9دیودهای نوری روش هایی برای افزایش راندمان خروجی وجود دارد، یکی از این روش ها تغییر شکل

هندسی نیمه هادی است. برای مثال شکل های زیر راندمان خروجی بیشتری از یک پیوند p-n:با صفحات موازی دارند زیرا به مقدار بیشتری از نور اجازه خروج می دهند

.معموال به دلیل کاهش هزینه ساخت ، از حالت های ساده تر استفاده می کنند

. روش دیگر برای بهبود راندمان خروجی زبر کردن یا شکل دادن سطح است

که به دلیل ایجاد پراکندگی به پرتو های بیشتری اجازه خروج از سطح را می دهند.

یکی دیگر از روش های افزایش راندمان خروجی، استفاده از الیه های پخش کنندهجریان است

که عبارتند از الیه های نیمه هادی که میزان اتصال الکتریکی را افزایش می دهند.

دیود های ساطع کننده نور-خصوصیات 10دیودهای نوری معموال از تمامی روش های باال به صورت همزمان برای باالبردن راندمان خروجی

استفاده می شود، همچنین می توان روش های دیگری هم برای باال بردن این راندمان به کار برد که عبارتند از:

استفاده از اتصاالت شفاف و بازتابی

استفاده از بدنه های شفاف

( بین الیه فعال و بدنه جاذب به منظور 7استفاده از بازتاب کننده های برگ )فصلهدایت پرتو به مسیر دلخواه.

.استفاده از یک کریستال فوتونی دو بعدی به منظور هدایت نور به سطح دلخواه

استفاده از ریزتشدید گرها که شامل دو آینه به صورت شکل در اندازه طول موجهستند

که پرتو را در جهت دلخواه متمرکز می نمایند:

دیود های ساطع کننده نور-خصوصیات دیودهای 11الگوی فضایی نور ساطع شده:نوری

نحوه تابش نور از پیوند مسطح متناسب با است که عبارت است از زاویه با بردارعمود بر سطح نیمه هادی.

درجه شدت تابش نصف می شود و علت این امر متناسب نبودن 60برای مثال در زاویه ضرایب شکست سطح و هوا است.

به منظور از بین بردن این عدم تناسبLED.ها را در پوشش اپوکسی قرار می دهند

این پوشش اپوکسی هم از قطعه نیمه هادی محافظت می کند، هم عدم تناسب ضریب

شکست را از بین می برد و هم یه عنوان یک لنز برای حالت دادن به پرتو عمل می کند.

.مواد اپوکسی ضریب شکستی بین ضریب شکست نیمه هادی و هوا دارند

الگوی تابش:

aدر غیاب لنز )

bدر حضور لنز کروی )

cدر حضور لنز سهموی )

دیود های ساطع کننده نور-خصوصیات دیودهای 12شار فوتون و راندمان خروجی:نوری

راندمان خروجی عبارت است از نسبت شار فوتونی خروجی به شار الکترونی تزریقشده .

راندمان خروجی را می توان به صورت حاصلضرب راندمان داخلی در راندماناستخراجی به دست آورد:

:بنابراین شار فوتونی به صورت زیر بدست می آید

:هر فوتون حامل انرژی می باشد، بنابرای توان خروجی

مقدار راندمان داخلی برایLED می باشد و این 100 تا حدود 50 ها معموال بین % LED% دارد، بنابراین بهره خروجی 50مقدار برای راندمان استخراجی مقداری کمتر از

% خواهد هست.50ها معموال کمتر از

معیار دیگر برای راندمان ، راندمان تبدیل انرژی است که عبارت است از نسبت توانتابشی به توان الکتریکی ورودی

برای برخیLED. : ها و بنابراین می توان در نظر گرفت

𝜙0=𝜂𝑒𝑥𝑖𝑒

𝑃0=h𝜐𝜙0

𝜂𝑐=𝑃0

𝑖𝑉=𝜂𝑒𝑥

h𝜐𝑒𝑉

دیود های ساطع کننده نور-خصوصیات دیودهای 13قابلیت پاسخدهی:نوری

یک قابلیت پاسخدهی( LED به صورت نسبت توان تابشی ساطع شده به جریان الکتریکی ورودی تعریف می شود.

( که در این رابطه واحد قابلیت پاسخ دهیW/A.بوده و بر حسب بیان می شود )

1برای مثال در حالتی که باشد،مقدار بیشینه توان آپتیکی خروجی به ازایmA جریان خواهد بود.1mWورودی

شکل روبرو نمونه ای از رفتار یک نیمه هادی را نشان می دهد ، همان طور

میلی آمپر این رابطه خطی بوده20که مشاهده می شود، تنها در ناحیه کوچکتر از

و برای جریان های باالتر به دلیل اشباع از میزان پاسخدهی کاسته می شود.

ℜ=𝑃0

𝑖=h𝜐 𝜙0𝑖

=𝜂𝑒𝑥h𝜐𝑒

=𝜂𝑒𝑥1 .24𝜆0

دیود های ساطع کننده نور-خصوصیات دیودهای 14توزیع طیفی:نوری

چگالی طیفی تابش خود به خودی از یک نیمه هادی در شرایط شبه تعادلی را می توانبه صورت تابعی از حامل های تزریقی بیان نمود.

از همین تئوری می توان برای الکترولومینسانس نور تابشی از یکLED در شرایط شبه تعادلی استفاده کرد.

در شرایط پمپ کردن ضعیف که در آنها ترازهای شبه فرمی تنها چندkT از لبه های باندهای انرژی فاصله دارند، چگالی طیفی در فرکانس مقدار بیشینه دارد.

(پهنا در نصف مقدار بیشینهFWHM چگالی طیفی به صورت است که مستقل از )فرکانس می باشد.

. اما اگر در واحد طول موج بیان شود، به آن وابسته است

این وابستگی به طول موج باعث ایجاد قابلیت رنگ های مختلف درLED.ها می شود

دیود های ساطع کننده نور-خصوصیات دیودهای 15زمان پاسخ دهی:نوری

زمان پاسخ دهی برایLED هایی که به منظور نورافشانی استفاده می شوند، به دلیل محدود می شوند، زیرا در این RCظرفیت خازنی اجاد شده در محل پیوند با ثابت زمانی

ها محل پیوند نسبتا بزرگ است.LEDنوع

در موردLED های به کار برده شده در سیستم های مخابراتی این محدودیت به دلیلطول عمر حامل های اقلیت می باشد.

در این حالت اگر نرخ پمپ کردنR به اندازه کافی کوچک باشد، فرایند تزریق/بازترکیب ، را می توان توسط یک معادله دیفرانسیل مرتبه اول بیان نمود.تابع تبدیل این حالت

مطابق زیر است:

که مشابه تابع تبدیل یک مدار مقاومتی-خازنی است.

3به این ترتیب پهنای باند-db برای LED به صورت بدست می آید که زمان صعود می باشد.

معموال زمان صعود برایLED نانوثانیه می باشد که پهنای باند صدها 50تا1ها بین مگاهرتزی را میسر می کند.

𝐻 (Ω )= ℜ1+ 𝑗Ω𝑟

دیود های ساطع کننده نور-خصوصیات دیودهای 16مداربندی الکترونیکی:نوری

دیود های ساطع کننده نور-مواد و ساختارها17 امروزه صنعتLED.ها توانسته محصوالتی با توان های باال و در همه رنگ تولید کند

.این امکان با استفاده از نیمه رساناهای میسر شده است

LED.ها را می توان به دو دسته تابش از سطح و تابش از لبه تقسیم بندی نمود

.در زیر به بررسی ویژگی های نیمه رساناهای متداول می پردازیم

GaAs

از این ماده ساخته شد.LEDاولین -

یک نیمه هادی دوتایی از گروه است. -

دارای طول موج است.-

) GaSb)1.70 (,InP)0.919 (,InAs)3.44 (,InSb)7.29مواد مشابه: -

دیود های ساطع کننده نور-مواد و ساختارها18GaAsP

یک نیمه هادی سه تایی با ساختار است.-

باند انرژی این ماده در ناحیه رنگی قرمز قرار دارد.-

با اضافه کردن نیتروژن می توان رنگ های نارنجی،زرد و سبز را تا حدودی استخراج نمود.-

%( می باشد.0/5-0/02راندمان خروجی این ماده معموال پایین)-

در موارد روشنایی پایین نظیر کترل از راه دور یا المپ های شاخص کاربرد دارد.-

InGaAsP

( کاسته می شود.band gapبا اضافه کردن ایندیم از نوار ممنوعه)-

نیمه هادی چهارتایی با ساختار می باشد.-

می توان بازه طول موجی)) را پوشش داد.x,yبا انتخاب -

در ناحیه مادون قرمز و همچنین سیستم های مخابراتی با نرخ بیت پایین کاربرد زیادی دارد.-

برای نرخ بیت های باالتر از لیزر های دیودی استفاده می شود.-

دیود های ساطع کننده نور-مواد و ساختارها19AlGaAs

با حذف فسفر از ماده قبلی می توان گپ انرژی را افزایش داد.-

نیمه هادی سه تایی است که در ناحیه مادون قرمز و مرئی قرمز کاربرد دارد.-

ماده دارای باند انرژی مستقیم است و می توان از آن به عنوان یک منبع روشنایی باالی -قرمز رنگ استفاده نمود.

نقطه ضعف این ماده طول عمر کم آن به دلیل اکسید شدن آلومینیوم می باشد.-

AlInGaP

نیمه هادی چهارتایی با باند مستقیم است که در ناحیه مادون قرمز و نواحی بیشتری از -نور مرئی نسبت به حالت قبل نور ساطع می کند.

ترکیبات مختلف این ماده در نمایش دهنده های لیزری، دیسک های نوری، چراغ های -راهنمایی ، سیستم های مخابراتی فیبر نوری، ساخت کاواک های تشدید گرها و ...

کاربرد دارد.

نانومتر وجود دارند 650 تا 600 اکثر موارد باال در طول موج -

و این ماده منبع خوبی برای این طول موج است.

دیود های ساطع کننده نور-مواد و 20ساختارها

GaN

یک نیمه هادی دوتایی با باند انرژی مستقیم است.-

دارای طول موج نزدیک ماوراء بنفش می باشد.-

با اینکه اخیرا کشف شده است اما جزء مهمترین نیمه هادی ها می باشد زیرا مبنای ساخت - است.InGaN,AlGaN,AlInGaNترکیبات پرکاربرد

InGaN

نیمه هادی سه تایی با باند مستقیم است.-

در بازه که شامل ناحیه ماوراء بنفش و طیف رنگی آبی و سبز می شود،نور افشانی می کند.-

با اضافه کردن مواد دیگر می تواند در ناحیه قرمز، زرد و نارنجی هم بدرخشد.-

قابلیت استفاده به عنوان منابع نوری با روشنایی زیاد را دارا می باشد.-

دیود های ساطع کننده نور-مواد و 21ساختارها AlGaN

یک نیمه هادی سه تایی با باند انرژی مستقیم است.-

(nm 366 در محدوده نزدیک فرابنفش و فرابنفش میانی قرار می گیرد. -

شده و در نتیجه میزان Pطول موج های کوتاهتر موجب کاهش رسانندگی نیمه هادی نوع -حفره های موجود برای بازترکیب را کاهش می دهد.

AlInGaN

در ادامه نیمه هادی های قبلی انتظار می رود که در ناحیه فرابنفش و مرئی نور افشانی کند.-

به عنوان اتصاالت شفاف برای الیه نشانی به کار می رود.-

LEDهای نور سفید

ترکیب مناسبی از قرمز،سبز و آبی رنگ سفید را به ما می دهد.-

کاربرد بسیار وسیعی در روشنایی منازل و محل های کار دارد.-

نسبت به المپ های حبابی از لحاظ طول عمر،راندمان،قیمت،بسته بندی و ... مزیت دارد.-

دیود های ساطع کننده نور-مواد و ساختارها22LED)های ارگانیگ)آلی

از مولکول های ارگانیک یا زنجیره های پلیمر ترکیبی ساخته می شوند.-

می توان از این مواد برای ساخت فیبرهای نازک با وسعت زیاد استفاده نمود که می -توانند نقش نمایشگرهای باریک،انعطاف پذیر، راندمان باال و ارزان قیمت ایفا کنند.

کاربرد وسیعی در دوربین ها، تلفن های همراه، مونیتور های رایانه، گیرنده های -تلویزیونی، صفحه های نمایش کریستال مایع و ... دارد.

نحوه استفاده از این نوع دیودهای نوری مطابق شکل روبرو و اتصال داده شده بین دو -کاتد و آند

غیر ارگانیک است که قرار دادن مواد مختلف روی این اتصاالت ، طول موج ها و در نتیجه رنگ های

مختلف را تولید می نماید.

های پلیمر از مواد ترکیبی به جای مواد ارگانیک استفاده می شود، این مواد در LEDدر -ساخت

راحت تر هستند و راندمان باالتری دارند.

( محدود بودن تنوع رنگ در آن ها است.PLEDنقطه ضعف )

تقویت کننده های نوری نیمه هادی- بهره و پهنای 23باند وظیفه این نوع تقویت کننده ها ایجاد تجمع معکوس است که تابش تحریک شده را ایجاد

می کنند و میزان آن را از جذب باالتر می برند.

تقویت کننده های نوری نیمه هادی در عمل مشابه سیتم های

چهار ترازی می باشند.

:ضریب بهره کل

𝐸2=𝐸𝑐+𝑚𝑟

𝑚𝑐(h𝜐−𝐸𝑔 ) ,𝐸1=𝐸2−h𝜐

𝜚 (𝜐 )=(2𝑚𝑟)

3 /2

𝜋 h2√h𝜐−𝐸𝑔 , h𝜐>𝐸𝑔

𝛾 0 (𝜈 )= 𝜆2

8𝜋𝜏𝑟𝜚 (𝜈) 𝑓 𝑔(𝜐)

تقویت کننده های نوری نیمه هادی- بهره و پهنای 24پهنای باند تقویت کننده:باند

:طبق روابط قبل به دو محدودیت برای فرکانس رسیدیم

- انرژی فوتون باید کوچکتر از اختالف بین ترازهای شبه فرمی 1 باشد.

- انرژی فوتون باید بیشتر از گپ انرژی باشد تا نشر تحریکی 2 صورت گیرد.

برقرار نباشد، به جای تقویت ، تضعیف انجام می شود 1اگر شرط

.در صورت برقرار نبودن شرط دوم، ماده شفاف خواهد بود

:بدین ترتیب پهنای باند یک تقویت کننده به صورت زیر بدست می آید𝐸𝑔

h<𝜈<

𝐸 𝑓𝑐−𝐸 𝑓 𝜈

h

تقویت کننده های نوری نیمه هادی- بهره و 25وابستگی ضریب بهره به سطح پمپ کردن:پهنای باند

.پهنا و مقدار ضریب بهره را می توان با استفاده از پمپ کردن افزایش داد

(InGaAsPمثال) ضریب بهره تقویت کننده نیمه هادی

سطج مقطع عبور در نیمه هادی ها باالست که در نتیجه باعث کاهش و محدود شدن پهنای باند درSOA ها می شود.

، مانند سایر انواع تقویت کننده هاSOA ها از نویز ناشی از نشرهای خود به خودی تقویت شده تاثیر میپذیرند. همچنین نویز های حرارتی و

نا کاملی حامل ها هم بی تاثیر نیستند.

ماکزیمم ضریب بهره هم از رابطه بدست می آید که در آن عبارت است از تمرکز حامل تزریقی درزمان تعادل رسیدن جذب و تابش .

𝐸𝑔=0 .95𝑒𝑉

𝜆0=1300𝑛𝑚

𝑇=300𝑜𝐾

𝑝0=𝑛0≈2∗10− 17𝑐𝑚− 3

تقویت کننده های نوری نیمه هادی- پمپ کردن26پمپ کردن آپتیکی:

تاباندن فوتون های با انرژی باالتر از به نیمه هادی ، باعث جذب این فوتون ها توسط

نیمه هادی شده و زوج های الکترون حفره ای جدید تولید می شوند، در این صورت اگر زمان سکون

خارج باندی از داخل باندی بیشتر باشد، جریان پایداری از فوتون ها در خروجی شکل می گیرد.

پمپ کردن جریان:

)روش بهتر برای تولید زوج های الکترون حفره ای ، ایجاد میدان الکتریکی)تزریق جریانبه نیمه هادی می باشد.

∆𝑛=𝜏 𝑅=𝜏𝑒𝑙𝐴

𝑖=𝜏𝑒𝑙

𝑗

𝛾𝑝≈𝛼(𝐽𝐽 𝑇−1)

𝐽𝑇=𝑒𝑙𝑛𝑖𝜏𝑟

Δ𝑛𝑇

تقویت کننده های نوری نیمه هادی- 27هترواستراکچرها همانطور که در روابط قبل دیدم، ماکزیمم بهره تقویت کننده به ضخامت الیه نیمه هادی

بستگی دارد که به همین دلیل بهتر است از نازکترین حالت نیمه هادی استفاده نماییم.

اگر یک الیه نیمه هادی را به تنهایی نازک کنیم، سد پتانسیل بین آن بسیار کوچک میشود و دیگر قابل استفاده نمی باشد به همین منظور از ساختاری الیه ای به نام اتصال

هترو استفاده می کنند که این ساختار مانند موج بر عمل می کند.

شکل مقابل ساختار یک هتروجانکشن دوالیه را نشان می دهد، در شکل مقابل

:مزیت های استفاده از هتروجانکشن

افزایش بهره تقویت کننده به دلیل کاهش ضخامت نیمه هادی.-

افزایش بهره تقویت کننده به دلیل به دام اندازی فوتون ها در الیه فعال به خاطر ضریب -شکست باالتر.

کمتر از انرژی فوتون بوده و 3و 1کاهش تلفات به دلیل اینکه گپ انرژی در الیه های -نمی توانند آن را جذب

کنند.

تقویت کننده های نوری نیمه هادی- 28ساختارهای چاه کوانتومی نانومتر( دیگر اندازه از طول 10-5اگر ضخامت پیوند را باز هم کمتر نماییم )در حدود

موج الکترون کوچکتر شده و شاهد تاثیرات کوانتومی خواهیم بود.

به دلیل کوچکتر بودن گپ انرژی الیه میانی ، این الیه به صورت یک چاه کوانتومی عملمی نماید.

برخورد فوتون ها و الکترون ها در چاه کوانتومی

به صورت انرژی در می آید . و در نهایت مجموع این

انرژی ها ضریب بهره کل را تعیین می کند.

چگالی حالت ها:

تقویت کننده های نوری نیمه هادی- 29ضریب بهره:ساختارهای چاه کوانتومی

و ماکزیمم بهره:

رابطه بین ضریب بهره و چگالی جریان:

با افزایش چگالی جریان تزریقی ، تمرکز الکترون حفره ها و همچنین فاصله ترازهایشبه فرمی افزایش

یافته و در نتیجه بهره افزایش می یابد.

در این صورت می توان از جریان، به عنوان یک تنظیم کننده مناسب برای تقویتاستفاده کرد.

𝛾𝑚=𝜆2𝑚𝑟

2𝜏𝑟 h 𝑙

تقویت کننده های نوری نیمه هادی- ساختارهای 30مواد و ساختارها:چاه کوانتومی

ساختار یک تقویت کننده نیمه هادی را می توان با یک لیزر دیودی که باالی حد شفافیت وزیر نوسان کار می کند، مدل نمود.

می توان با انتخاب ماده نیمه هادی مناسب این تقویت کننده ها را برای عمل در هر ناحیهرنگی دلخواه تعیین نمود.

تقویت کننده های نیمه هادی که برای انتقال داده به کار می روند معموال در نزدیکی ساخته می شوند. InGaAsP,InGaAs,Inpمادون قرمز عمل می کنند، و از جنس

15بهره تقویت کننده های نیمه هادی معموال به علت به اشباع رفتن بهdb محدود می شوند.

زمان بازترکیب کوتاه این نوع نیمه هادی آن را در برابر نویز های فرکانس باال حساس مینماید.

استفاده ازSOA ها به دلیل مسائل باال، در شبکه های آپتیکه داخل شهری با توان کم محدود شده است.

کاربرد اصلیSOA ها در موارد غیر خطی آپتیکی ،سوییچ های داده و تبدیل طول موج می باشد.

تقویت کننده های نوری نیمه هادی- ساختارهای 31چاه کوانتومی

مزایا:

طول موج مرکزی با انتخاب ماده 1..مناسب قابل تعین است

با مدارهای مجتمع الکتروآپتیکی 2.سازگار است.

قابلیت پمپ کردن الکتریکی دارد.3.

اندازه کوچکی دارد.4.

قیمت پایین دارد.5.

معایب:

بهره پایینی دارد.6.

توان خروجی اشباع پایینی دارد.7.

نویزش زیاد است.8.

تداخل بین کانالی اش زیاد است.9.

به تاثیرات دمایی حساس است.10.

به قطبش سیگنال حساس است.11.

خصوصیات مد عرضی غرقابل کنترل 12.است.

تلفات ورودی زیادی دارد.13.

با هندسه فیبر سازگار نیست.14.

( با تقویت SOA)مقایسه تقویت کننده های نوری نیمه هادی ( :OFAکننده های فیبر نوری)

تقویت کننده های نوری نیمه هادی- دیودهای ابر 32درخشان دیودهای ابر درخشان(SLD لیزرهای دیودی هستند که جریان تزریقی در آنها به حدی ،)

باالست که تابش تحریک شده از تابش خود به خودی پیشی می گیرد .

SLD ها باSOA ها تفاوت دارند، و در آنها هیچ سیگنال آپتیکی به نیمه هادی تزریق نمی شود.

SLD ها حد وسط لیزرهای دیودی و دیودهای نوری هستند که توان و روشنایی باالیلیزرها و همدوسی کم دیودهای نوری را دارند.

(به منظور جلوگیری از لیزlase کردن، باید فیدبک نوری را تا حد ممکن کاهش داد که )اینکار به روش های مختلفی نظیر تزریق جریان به یک نقطه خاص از قطعه از طریق طراحی هندسی قطعه یا استفاده از پوشش ضد بازتاب در جداره قطعه صورت می

گیرد.

:مثال های از کاربردهای دیودهای ابردرخشان عبارتند از

(11توموگرافی)فصل -

برخی سنسورهای فیبر نوری-

ژیروسکوپ های فیبر نوری-

لیزرهای دیودی-تقویت،فیدبک و نوسان33.لیزر دیودی یک تقویت کننده آپتیکی است که فیدبک به آن اضافه شده است

این فیدبک توسط آینه هایی تامین می شود که در کریستال های نیمه هادی اتصال یافتهاند.

در صورتی که جریان خیلی بزرگ باشد ، فیدبک باعث به وجود آمدن یک نوسان سازنوری می شود.

در این حالت کریستال نیمه هادی هم نقش تشدیدگر فابر-پرو و هم نقش تقویت کننده راایفا می کند.

تفاوت لیزر دیودی با دیود نوری در نوع تابش فوتون می باشد که در دیود نوری این تابشخود به خودی و در لیزر تابش تحریک شده می باشد.

:لیزرهای دیودی نسبت به سایر انواع لیزر دارای مزیت های زیر هستند

، راندمان باال ، اندازه کوچک و قابلیت سازگاری با قطعات الکترونیکیتوان باال-

تقویت لیزری:

لیزرهای دیودی-تقویت،فیدبک و نوسان34فیدبک:

این فیدبک به وسیله اتصال کریستال ها به محل پیوند، یا با صیقل دادن دو صفحه موازی از کریستالایجاد می شود.

.ناحیه فعال پیوند هم به صورت یک تشدیدگر آپتیکی عمل می نماید

مواد نیمه هادی معموال ضریب شکست های باالیی دارند و از اختالف همین ضریب شکست ها با هوامی توان به عنوان انعکاس دهنده هایی که مانند فیدبک عمل می کنند، استفاده نمود.

تلفات تشدیدگر:

علت اصلی تلفات در تشدیدگر، بازتاب جزئی کریستال ها می باشد. برای یک تشدیدگر با طولd داریم:

تلفات کل مجموع تلفات ناشی از بازتاب جزئی آینه ها و تلفات دیگر مثل جذب حامل آزاد و یاپراکندگی به علت ناهمگنی های نوری است.

یکی دیگر از عوامل مهم تلفات در تشدیدگرها ناشی از توزیع انرژی آپتیکی در خارج از الیه تقویتکننده می باشد، که با نمایش داده می شود.

.ضریب انحصار( عبارت است از کسری از انرژی که در خارج ناحیه فعال قرار می گیرد (

لیزرهای دیودی-تقویت،فیدبک و نوسان35شرط بهره: آستانه لیزر

:شرط تشدید لیزر این است که بهره از تلفات بیشتر شود، بنابراین

چگالی جریان آستانه، از پارامترهای کلیدی لیزرهای دیودی است که هرچه کوچکترباشد، نشان دهنده عملکرد بهتر است.

این چگالی را می توان با افزایش راندمان کوانتومی داخلی یا کاهش ضریب اتالفکاهش داد.

چون و به شدت به دما وابسته هستند، برای

ثابت نگه داشتن جریان و بهره خروجی باید از کنترل دمایی استفاده نمود.

همچنین وابستگی این جریان به ضخامت الیه فعال در شکل روبرو نمایش داده شدهاست:

𝑖𝑓 𝛾𝑝>𝛼𝑟→threshold :𝛾𝑝=𝛼𝑟 , 𝐽= 𝐽 𝑡

t h𝑟𝑒𝑠 h𝑜𝑙𝑑𝑐𝑢𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑦 : 𝐽 𝑡=𝛼𝑟+𝛼𝛼

𝐽𝑇

𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑐𝑦 𝑐𝑢𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑦 : 𝐽𝑇=𝑒𝑙𝑛𝑖𝜏𝑟

∆𝑛𝑇

لیزرهای دیودی-توان و راندمان36شار فوتون داخلی:

هنگامی که چگالی جریان از آستانه بیشتر می شود،ضریب بهره تقویت کننده از ضریباتالف آن پیشی می گیرد. در این حالت نشر تحریکی از جذب و سایر تلفات تشدیدگر

بیشتر شده و در این حالت شار فوتونی در تشدیدگر می تواند افزایش یابد.

،شار فوتونی در حالت پایدار با تفاضل نرخ پمپ کردن و پمپ کردن آستانه رابطه دارددر نتیجه:

از رایطه باال مشخص است که شار فوتونی برار است با شار الکترونی که در ضریبراندمان کوانتومی ضرب شده است.

.توان داخلی لیزر هم با ضرب تعداد فوتون ها در انرژی هر فوتون بدست می آید

𝑅∝𝑖 ,𝑅𝑡∝𝑖𝑡→𝜙=¿

𝑛𝑖𝑖− 𝑖𝑡𝑒,𝑖> 𝑖𝑡

0 ,𝑖≤ 𝑖𝑡

𝑃=h𝜈𝜙=𝑛𝑖(𝑖−𝑖𝑡 )1.24𝜆0

لیزرهای دیودی-توان و راندمان37شار فوتون خارجی و راندمان:

شار فوتون خروجی لیزر از حاصلضرب شار فوتون داخلی در ضریب استخراج به دستمی آید.

در صورتی که هر دو آینه بازتابR:را داشته باشند، داریم

:در نتیجه راندمان کوانتومی دیفرانسیلی خارجی به صورت زیر تعریف می شود

:توان خروجی هم به طریق زیر به دست می آید

𝑛𝑒=¿¿𝜙0=𝑛𝑒𝑛𝑖

𝑖−𝑖1𝑒

𝑛𝑑=𝑛𝑒𝑛𝑖=𝑑𝜙0

𝑑 ( 𝑖𝑒

)

𝑃0=𝑛𝑑 (𝑖− 𝑖𝑡)1 .24𝜆0

لیزرهای دیودی-توان و راندمان38.رابطه اسالید قبل اگر برحسب میکرومتر بیان شود ، منحنی نور-جریان را به ما می دهد

شیب این منحنی در ناحیه باالتر از آستانه به عنوان قابلیت پاسخدهی دیفرانسیلی لیزرشناخته می شود.

:همانند قبل راندمان تبدیل انرژی هم به صورت زیر تعریف می شود

لیزرهای دیودی-توان و راندمان39LDو LED,SLDمقایسه راندمان و توان

لیزرهای دیودی-خصوصیات فضایی و 40خصوصیات طیفی:طیفی

:چگالی طیفی نور لیزر با سه فاکتور تعیین می شود که عبارتند از

پهنای باندی که ضریب بهره سیگنال کوچک ماده از ضریب جذب آن بیشتر باشد.)فصل 1.15)

(13همگن یا ناهمگن بودن فرایند گسترش )فصل 2.

مدهای تشدیدگر یا به عبارتی فواصل فرکانس ها در بین مدهای طولی. 3.

:لیزرهای دیودی با سه مشخصه زیر معرفی می شوند

پهنای طیفی ضرایب بهره معموال زیاد است زیرا انتقال بین دو باند انرژی پیوسته 1.صورت می گیرد.

فرایندهای بین باندی بسیار سریع اتفاق می افتند که باعث می شوند نیمه هادی به 2.صورت همگن گسترش یابند.

این تشدیدگر نیمه هادی طول بسیار کمتری از سایر انواع لیزر دارد.3.

:LED,SLD,LDمقایسه چگالی های طیفی

لیزرهای دیودی-خصوصیات فضایی و طیفی41خصوصیات فضایی:

.همانند انواع دیگر لیزر، در لیزرهای دیودی هم مدهای طولی و عرضی را شاهد هستیم(15)فصل

در اکثر انواع لیزر، پرتو لیزر کامال در ناحیه فعال شکل می گیرد و به این ترتیب توزیعفضایی مدها توسط آرایش و نحوه قرارگیری آینه ها تعیین می شود.

در لیزرهای دیودی شاهد شکل گیری لیزر در خارج از الیه فعال هم می باشیم و به اینترتیب مدها توسط موج برهای دی الکتریک الیه های مختلف لیزر تعیین می گردند.

الگوی انتشار دور از میدان:

l=1m=1

l=1m=2

l=1m=3

لیزرهای میکروکویتی و کوانتومی محدود-42لیزرهای کوانتومی محدود لیزرهای کوانتومی محدود لیزرهایی هستند که در آن ها ابعاد از طول موج بروگلی

کوچکتر می باشد.

.دارای عملکرد عالی هستند و از بقیه انواع لیزر راجیج تر می باشند

.در سه آرایش رایج چاه کوانتومی، سیم کوانتومی و نقطه کوانتومی ساخته می شوند

لیزر چاه کوانتومی:

.لیزرهای چاه کوانتومی عملکرد بهتری نسبت به لیزرهای هترواستراکچر دوتایی دارند

نانومتر( چاه10این عملکرد ناشی از ضخامت نازکتر)حدود

نانومتری( هترواستراکچر100کوانتومی در مقایسه با ضخامت )حدود

دو الیه ای است.

:مزیت های لیزر چاه کوانتومی نسبت به هترواستراکچر عبارتند

جریان آستانه کوچکتر - راندمان کوانتومی خارجی باالتر -

راندمان تبدیل انرژی باالتر - پهنای باریکتر ضریب بهره - پهنای خطی کوتاه تر مدهای -لیزر - پاسخ سریعتر و امکان مدوالسیون با فرکانس باالتر - وابستگی کمتر به دما

لیزرهای میکروکویتی و کوانتومی محدود-43لیزرهای با چند چاه کوانتومی:لیزرهای کوانتومی محدود

.با افزایش چاه های کوانتومی می توان به ضریب بهره باالتری برای لیزر دست یافت

لیزرهای با الیه های خشدار:

این لیزرها می توانند عملکرد بهتری نسبت به لیزرهای دیگر داشته باشند و به طول موج هاییکه با لیزرهای دیگر قابل دسترس نیستند، برسند.

در این لیزرها که از مواد گروهIII-V ساخته می شوند، به جای تطبیق شبکه ای عمدا سعی شده است که ثابت شبکه متفاوتی داشته باشند.

:باند انرژی را افزایش 1استفاده از خش سه مزیت برای این لیزر ایجاد می کند که عبارتند از .. باند ظرفیت را آنتی 3. تبهگنی بین باندهای سبک و سنگین را از بین می برند. 2می دهند.

ایزوتروپیک می کند.

1،چگالی جریان 2. در نتیجه طول موج لیزر را می توان به میزان قابل توجهی بهبود بخشید .آستانه لیزر را می توان به میزان قابل توجهی کاهش داد.

. کاهش جرم حفره به تراز فرمی اجازه می دهد تا زودتر به باند ظرفیت رفته و به جریان تزریقی 3 کمتری احتیاج داشته باشد.

لیزرهای میکروکویتی و کوانتومی محدود-44لیزرهای تک سیم کوانتومی و چند سیم کوانتومی:لیزرهای کوانتومی محدود

.از سیم های کوانتومی هم می تون مطابق شکل روبرو به عنوان ناحیه فعال لیزرها استفاده نمود

لیزرهای با سیم های کوانتومی پهنای خطوط نازک تری از لیزرهای با چاه کوانتومی دارند، زیرا

محدود کردن حامل ها در آن ها باریک تر می باشد.

فرایند ساخت این نوع لیزرها از لیزرهای چاه کوانتومی پیچیده تر است زیرا ساخت سیم ها بهصورت

مجتمع ، سخت می باشد.

لیزرهای نقطه ی کوانتومی و چند نقطه کوانتومی:

نقطه های کوانتومی که به آنها نانوکریستال هم گفته می شود، به شکل های مکعب،کره و هرم در

ساخت لیزرها به کار برده می شوند.

نانومتری صورت می گیرد.10تا1در این نوع لیزرها عمل محدودکردن حامل ها در نقطه های

( می تواند سطح انرژی نوری را باالتر ببرد.13این اندازه کوچک)فصل

ساخت این نوع از لیزرها هم زیاد دشوار نمی باشد و از این نوع لیزرها در تابش نور با باند پهن و

تقویت کننده های آپتیکی استفاده می شود.

لیزرهای میکروکویتی و کوانتومی محدود-45لیزرهای آبشاری کوانتومی:لیزرهای کوانتومی محدود

عملکرد تمامی لیزرهای نیمه هادی که تا به حال بحث شد، به این صورت بود که

دوحامل الکترون و حفره با هم خنثی شده و تنها یک فوتون حاصل می کردند.

در ساختار لیزرهای آبشاری کوانتومی باند انرژی به نحوی مهندسی می شود که

بنابراین این لیزرها تک قطبی هستند. هر الکترون به تنهایی چند فوتون تولید نماید.

.به دو شیوه استفاده از چاه های کوانتومی متوالی و استفاده از ابرشبکه ها ساخته می شوند

( فعالیت نمایند. 70تا2لیزرهای آبشاری می توانند در محدوده وسیعی از طول موجها )میکرومتر

QCL ها مادون قرمز میانی در دمای اتاق فعالیت می کنند و می توانند صدها میلی وات انرژی ازموج پیوسته را ساطع نمایند.

با استفاده از این مواد می توان به راندمان های کوانتومی خارجی باالیی دست یافت زیرا اینمواد تنها از یک حامل استفاده می کنند، و همچنین می توانند جریان های باالیی را تحمل کنند زیرا

الزم نیست از مواد با باند انرژی پایین ساخته شوند.

این مواد در موارد بسیار علمی ، تحقیقاتی، نظامی ، تحلیل گازها، حسگرهایشیمیایی،اسپکتروسکپی مادون قرمز و همچنین کارباردهای بی سیم نوری که برای چشم بی ضرر

باشند، کاربرد دارند.

لیزرهای میکروکویتی و کوانتومی محدود-46لیزرهای میکروکویتی

در لیزرهای قبلی محدودسازی حامل ها در ابعاد طول موج بروگلی صورت می گرفت، اما در لیزرهای میکروکویتی به جای حامل ها، فوتون ها در ابعاد طول

موج نوری محدود می شوند.

.میکروکویتی ها ابعاد بسیار کوچکی در همه جهات دارند

مدهای عملکرد این تشدیدگرها در فضایkو فرکانس های تشدید آنها از تقریب ( به دست می آیند.10پیوسته)فصل

.چگالی مدی را می توان با استفاده از میکروکویتی ها به مقدار زیادی کاهش داد

به طور کلی لیزرهای میکروکویتی مزیت های زیر را نسبت به معادل های متداول خوددارند:

- 3- آستانه لیزر کوچکتر 2- اندازه کوچکتر و در نتیجه نیاز به توان کمتر 1پهنای طیفی کوچکتر

- راندمان باالتر5- اندازه فضایی کوچکتر 4

لیزرهای میکروکویتی و کوانتومی محدود-مواد 47و ساختارها امروزه لیزرهای نیمه هادی در انواع مختلف ، طول موج های از فرابنفش میانی تا

مادون قرمز دور و توان های خروجی نانووات تا کیلووات ساخته شده اند.

لیزرهای دیودی متداول:

لیزرهای تابش از لبه در بسیاری از کاربردها شامل محصوالت مصرفی ؛ پخش کننندههای دی وی دی، پرینترهای لیزری، ارتباطات فیبر نوری راه دور، لیزرهای فیبری و

لیزرهای حالت جامد هستند.

مواد و ساختارهای لیزرهای دیودی معمولی بسیار نزدیک به دیودهای نوری و شامل نیمه می شوند. AlInGaN,AlInGaP,InGaAs,InGaAsPهادی های سه تایی و چهارتایی

کاربردها و طول موج های این مواد در جدول زیر آمده است:

هم 75% می باشد، اما به توان های باالتر از 45راندمان تبدیل انرژی معموال حدود %دسترسی پیدا شده است.

635-650nm 785nm 850nm 1300-1600nm

Laserpointers,DVDs, shorthaul fiber,…

CDs Shortreach communication

Long reach communication

لیزرهای میکروکویتی و کوانتومی محدود-مواد 48لیزرهای با موج بر حلقه ای:و ساختارها

.این نوع لیزرها در یک مد فضایی تکی عمل می کنند

.عملکردشان در نزدیکی مادون قرمز می باشد

.کاربرد در اسپکتروسکوپی و اندازه گیری لیزری

(DFBs)لیزرهای هترواستراکچر مدفون با فیدبک توزیع شده

در این نوع لیزرها الیه های نیمه هادی متغیرp,n به جریان اجازه می دهد که از الیه های هترواستراکچر

مدفون در ناحیه فعال عبور کنند و به این ترتیب شاهد محدود کردن جانبی باشیم.

.این نوع ساختار قابلیت پیاده سازی بر روی یک تراشه را دارا هستند

نانمومتر می باشد.1300-1600طول موج این لیزرها

لیزرهای میکروکویتی و کوانتومی محدود-49لیزرهای تابش از سطح با کاواک عمودی:مواد و ساختارها

.این لیزرها متداول ترین لیزرهای میکروتشدیدگری هستند

.به گونه ای طراحی شده اند که لیزراز قله یک صفحه میکروتشدیدگر یک بعدی می تابد

.این نو لیزرها در محدوده مرئی و نزدیک مادون قرمز عمل می کنند

قابلیت عمده این نوع لیزرها قابلیت تجمع آنها در یک تراشه است که برای مثال یک از این نوع لیزر بر روی یک تراشه یک سانتی متر مربعی ساخته می InGaAsمیلیون

شود.

لیزرهای میکروکویتی و کوانتومی محدود-50لیزرهای میکروکویتی با کریستال فوتونیکی:مواد و ساختارها

این نوع لیزر که از نقص های کریستال فوتونی دوبعدی همراه با منابع کوچک تابشکوانتومی محدود ساخته می شوند، امکان تابش آستانه در حد ابعاد طول موج را فراهم

می کنند.

این نوع لیزرها با استفاده از الگوهای نواقص بسیار تنظیم پذیر بوده و قابلیت مدوالسیونمستقیم را دارا می باشند.

51....با تشکر از توجه شما

!پرسشی ندارین؟