Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Széchenyi István University Győr HungaryLézerek Nagy Szilvia.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Széchenyi István University Győr HungaryLézerek Nagy Szilvia."— Előadás másolata:

1 Széchenyi István University Győr HungaryLézerek Nagy Szilvia

2 2Interaktív KTV 2008 Tartalom működéstulajdonságokkalkalmazás atomi energiaszintek populációinverzió energiasávok szilárdtestekben félvezető heteroátmenetek kvantum well lézerek VCSEL-ek

3 3Interaktív KTV 2008 A lézerek tulajdonságai Monokromatikus fény – kis sávszélesség Kis divergencia – keskeny, irányított nyaláb Koherens nyaláb – a fotonok közel azonos fázisúak Többnyire nem túl nagy teljesítmény nagy teljesítménysűrűség nem nagyon hatékony energiaátalakítás

4 4Interaktív KTV 2008 Felhasználás Anyagfeldolgozás – vágás, fúrás, hőkezelés, olvasztás, … Optikai jelek olvasása – CD, vonalkód, … Grafika – nyomtatók, színelválasztók, nyomtatási lemezek, sablonok, … Laboratórium, mérések Orvoslás – vérzés nélküli szike, tumor roncsolás, … Katonai – célzók, keresők, … Hírközlés

5 5Interaktív KTV 2008 a fény optikai teljesítménye visszaverődés előtt: P visszaverődés után: (1−  1 ) P A lézerek működése Mi kell a lézerek működéséhez Lézer erősítő – optikai erősítés Optikai rezonátor – pozitív visszacsatolás reflexió

6 6Interaktív KTV 2008 új fotonok keletkeznek visszaverődés optikai erősítés: P g∙ℓ∙ P Mi kell a lézerek működéséhez Lézer erősítő – optikai erősítés Optikai rezonátor – pozitív visszacsatolás A lézerek működése

7 7Interaktív KTV 2008 (1−  2 ) P 2∙P2∙P A lézerek működése Mi kell a lézerek működéséhez Lézer erősítő – optikai erősítés Optikai rezonátor – pozitív visszacsatolás

8 8Interaktív KTV 2008 ℓ P A lézerek működése Teljesítmény egy körben

9 9Interaktív KTV 2008 Zajforrások RIN (Relative Intensity Noise) random amplitúdófluktuáció random amplitúdófluktuáció zajteljesítmény 1MHz-es sávban/össztelj. zajteljesítmény 1MHz-es sávban/össztelj. -160dB/Hz, amin a visszavert hullámok sokat rontanak: izolátorok -160dB/Hz, amin a visszavert hullámok sokat rontanak: izolátorok Chirp – mellékhullám moduláció: kicsi frekvenciamoduláció - ciripelés kicsi frekvenciamoduláció - ciripelés nagyobb CSO nagyobb CSOhőmérsékletváltozás eltolódó karakterisztika eltolódó karakterisztika

10 10Interaktív KTV 2008 Atomi energiaszintek A Schrödinger-egyenlet megoldása szerint kvantált sajátenergiák kvantált sajátenergiák hozzájuk rendelhető hullámfüggvények hozzájuk rendelhető hullámfüggvények alapállapot 1. gerjesztett állapot 2. gerjesztett állapot

11 11Interaktív KTV 2008 Ha egy energiájú foton kölcsönhat egy atommal, egy elektron az E m szintről az E n energiaszintre gerjesztődhet: foton foton abszorpció – relatív gyakoriság: Atomi energiaszintek

12 12Interaktív KTV 2008 Egy gerjesztett elektron az E m szintről az alacsonyabb E n szintre tud relaxálódni, miközben egy fotont bocsát ki, melynek energiája: foton – random irány spontán emisszió – relatív gyakoriság: spontán élettartam Atomi energiaszintek

13 13Interaktív KTV 2008 Ha egy energiájú foton egy olyan atommal hat kölcsön, melynek egy gerjesztett elektronja van az E n szinten, a foton az elektront az E n szintre való lépésre késztetheti foton indukált emisszió 2 foton – azonos irány, azonos fázis Atomi energiaszintek

14 14Interaktív KTV 2008 Az indukált emisszió sokkal a spontán élettartam vége előtt létrejöhet. indukált emisszió: egy foton be két foton ki Az optikai erősítő megvalósítható olyan atomok halmazaként, melyeknek sok elektronja van ugyanabba a hosszú spontán élettartamú állapotba gerjesztve. Atomi energiaszintek

15 15Interaktív KTV 2008 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation A rezonátor többnyire sokkal hosszabb a fény hullámhosszánál (több lehetséges módus). Upper Laser Level Lower Laser Level Atomi energiaszintek

16 16Interaktív KTV 2008 Egyensúlyban a relatív gyakoriságokra igaz: Így a h energiájú fotonok sűrűsége relatív betöltési valószínűség Atomi energiaszintek

17 17Interaktív KTV 2008 Populációinverzió Termodinamikai egyensúlyban az állapotok betöltöttsége a Boltzmann-tv szerinti: a relatív betöltöttség így

18 18Interaktív KTV 2008 A fotonsűrűséget a fekete test sugárzás eredményeivel összehasonlítva: Populációinverzió

19 19Interaktív KTV 2008, egyensúlyban az abszorpció relatív gyakorisága sokkal nagyobb, mint az indukált emisszióé Ha B mn =B nm, egyensúlyban az abszorpció relatív gyakorisága sokkal nagyobb, mint az indukált emisszióé Termodinamikai egyensúlyban az állapotok betöltöttsége a Boltzmann-tv szerinti: Populációinverzió

20 20Interaktív KTV 2008 valahogy a felső lézer szinten (ULL) lévő elektronok számát meg kell növelni populációinverzió jön létre A részecskék nem termodinamikai egyensúlyban vannak Populációinverzió

21 21Interaktív KTV 2008 A populációinverzió létrehozása az elektronokat egy rövid spontán élettartamú energiaszintre gerjesztjük: pumpálás a pumpálási szintről (pumping level) az elektronok a felső lézer szinre (upper laser level) relaxálódnak, melynek nagy a spontán élettartama a felső lézer szinten elektronok halmozódnak fel ULL LLL PL GS Populációinverzió

22 22Interaktív KTV 2008 Háromszintű lézer Négyszintű lézer upper laser level lower laser level = pumping level ground state upper laser level lower laser level pumping level ground state rövid spontán élettartam Populációinverzió

23 23Interaktív KTV 2008 Populációinverzió létrehozásának módjai speciális szűrők speciális szűrők elektromos pumpálás elektromos pumpálás direkt elektromos kisülés direkt elektromos kisülés rádiófrekvenciás tér rádiófrekvenciás tér elektronsugár elektronsugár p-n heterostruktúra p-n heterostruktúra optikai pumpálás optikai pumpálás kémiai pumpálás kémiai pumpálás nukleáris pumpálás nukleáris pumpálás Populációinverzió

24 24Interaktív KTV 2008 Energiasávok szilárdtestekben Szilárdtestekben az atomi nívók kiszélesednek energiasávok jönnek létre vibrációk (és rotációk) a kristályban vibrációk (és rotációk) a kristályban az energiaszintek momentumfüggése az energiaszintek momentumfüggése degenerált állapotok felhasadása, … degenerált állapotok felhasadása, … valenciasáv (valance band) vezetési sáv (conduction band) tiltott sáv (gap) – nincsenek elektronok

25 25Interaktív KTV 2008 A Fermi-szint a legmagasabb olyan energiaszint, amely betöltött: a Fermi-szint a vezetési sávban fém a Fermi-szint a vezetési sávban fém a Fermi-szint a gapben szigetelő a Fermi-szint a gapben szigetelő fém szigetelő (félvezető) Energiasávok szilárdtestekben

26 26Interaktív KTV 2008 Nem 0 hőmérsékleten a Fermi-szint nem szigorú: a betöltési valószínűség Fermi-Dirac statisztikát követ T = 0 KT > 0 K f(E)f(E) f(E)f(E) Energiasávok szilárdtestekben

27 27Interaktív KTV 2008 Így ha egy szigetelő tiltott sávja nagyobb mennyiségű elektron lehet jelen a vezetési sávnban: vezetési sáv gap félvezetőszigetelő Energiasávok szilárdtestekben

28 28Interaktív KTV 2008 Egy kristályban az energiaszintek függenek a k hullámszámtól (kvázimomentum): v.b c.b indirekt gap v.b c.b direkt gap momentum megmaradás nincs foton kibocsátás nem kell momentumot vinni foton emisszió lehet Energiasávok szilárdtestekben

29 29Interaktív KTV 2008 Heterojunctions in semiconductors töltéshordozók vihetők a félvezetőkbe adalékolással (doping): V főcsoport atomjai: elektronok n-típus III főcsoport atomjai: lyukak p-típus vezetési sáv vegyértéksáv p-típus n-típus lokalizál akceptor/donor nívók

30 30Interaktív KTV 2008 Heterojunctions in semiconductors Ha egy n típusú és egy p típusú réteg kontaktusba kerül, az érintkezés közelében a pozitív és negatív töltéshordozók rekombinálódhatnak fotonok keletkezhetnek potenciálgát alakul ki nincs rekombináció

31 31Interaktív KTV 2008 Heterojunctions in semiconductors Ha egy n típusú és egy p típusú réteg kontaktusba kerül, A rekombinációmegáll, hacsak nem alkalmazunk külső feszültséget: LED rekombináció lehetséges: aktív régió

32 32Interaktív KTV 2008 Heterojunctions in semiconductors az egyszerű heteroátmeneteknek vannak hátrányai: a rel. nagy térbeli kiterjedés miatt nagy áramok kellenek a populációinverzió fenntartásához nagy hő termelődik, akár az eszközt is tönkreteheti Megoldás: szorítsuk be a nagy áramú részt kicsi helyre dupla heteroátmenet

33 33Interaktív KTV 2008 Heterojunctions in semiconductors aktív réteg A kettős heteroátmenet a populációinverziót kis térbeli tartományba korlátozza, két különböző tiltott sávval (  1 és  2 ) rendelkező félvezető alkalmazásával:

34 34Interaktív KTV 2008 Heterojunctions in semiconductors aktív réteg A dupla heteroátmenet félvezetői nemcsak a  1,  2 tiltott sávjukban, hanem az n 1 és n 2 törésmutatójukban is különböznek: a lézersugár is lokalizált x irányban

35 35Interaktív KTV 2008 Heterojunctions in semiconductors A dupla heteroátmenet mind a populációinverziót, mind pedig a lézernyalábot lokalizálja kevesebb hő szubsztrát, p típus p típus,  2 n típus,  2 szubsztrát (n típus/adalékolatlan) elektróda elektróda aktív réteg,  1

36 36Interaktív KTV 2008 Heterojunctions in semiconductors Azért, hogy ne keletkezzenek mechanikai feszültségek a kristályban, a rétegeknek hasonló rácsállandóval kell rendelkezniük. p-GaAs, p-InGaAsP,… p-Ga 0,7 Al 0,3 As, p-InP,… Ga 0,95 Al 0,05 As, InGaAsP,… n-Ga 0,7 Al 0,3 As, n-InP,… n-GaAs, n-InP,… példák

37 37Interaktív KTV 2008 Heterojunctions in semiconductors A vékony rétegeknek igen pontos vastagsággal kell rendelkeznie, pontos növesztési eljárások szükségesek: fémorganikus kémiai párologtatás (metal- organic chemical vapor deposition) molekulasugaras epitaxia (molecular beam epitaxy)

38 38Interaktív KTV 2008 A tükröket a rétegekre merőlegesen alakítják kia fény a rétegekkel párhuzamosan terjed Heterojunctions in semiconductors fény Ám az optikai tulajdonságai ezeknek a felületeknek nem kontrollálható Megoldás: Bragg-refraktorok A csíkok hasítás utáni felülete többnyire eléggé visszaverő.

39 39Interaktív KTV 2008 Heterojunctions in semiconductors A populációinverzió a másik irányban is lokalirálható: elektróda a csíkszerű elektróda megszorítja az áram folyásának helyét a populációinverzió csak kis sávban jön létre

40 40Interaktív KTV 2008 Heterojunctions in semiconductors Speciális geometriával a lézernyaláb és a populációinverzió is megszorítható az n-p átmenetek nem engednek áramot erre n típus p típus törésmutató n

41 41Interaktív KTV 2008 Heterojunctions in semiconductors elliptikus sugár minél vékonyabb a réteg annál kevesebb módus tud terjedni minél keskenyebb a réteg, annál kevesebb áram szükséges a megfelelő populáció- inverzióhoz Speciális geometriával a lézernyaláb és a populációinverzió is megszorítható

42 42Interaktív KTV 2008 Heterojunctions in semiconductors For proper optical confinement single waveguide mode is neededthe higher order modes have to be cut off. This requires thickness or less. For = the1.3  m, d<0.56  m. (n g and n c are reflective indices of waveguide and the cladding)

43 43Interaktív KTV 2008 Heterojunctions in semiconductors If the waveguide is too thin, the light spreads out of itthe loss increases. For confining the population inversion thinner layers would be needed. Solution: the waveguide and the active layer are not the same – S eparate C onfinement H eterostructure (SCH) active layer waveguide

44 44Interaktív KTV 2008 Heterojunctions in semiconductors If the waveguide is too thin, the light spreads out of itthe loss increases. For confining the population inversion thinner layers would be needed. Solution: the waveguide and the active layer are not the same – GR aded IN dex SCH (GRINSCH) active layer waveguide

45 45Interaktív KTV 2008 Quantum well lasers If the active region is thin enough,  10 nm only few layers of atoms in the active region quantum well is formed The solution of the Schrödinger equation of quantum wells: I.electron in a potential well in the x direction II.free electron gas solution in the yz plane

46 46Interaktív KTV 2008 Quantum well lasers The solution of the 1D potential well problem:

47 47Interaktív KTV 2008 Quantum well lasers The solution of the 1D potential well problem: the Schrödinger equation

48 48Interaktív KTV 2008 Quantum well lasers the boundary conditions:

49 49Interaktív KTV 2008 Quantum well lasers The solution of the differential equation system: with and

50 50Interaktív KTV 2008 Optikai adók spektrumképei

51 51Interaktív KTV 2008 Korszerű DFB lézeradó 1310 nm-re

52 52Interaktív KTV 2008 Korszerű EMS lézeradó 1550 nm-re

53 53Interaktív KTV 2008 Nd:YAG EMS lézeradó 1319nm-re

54 54Interaktív KTV 2008 EMAT lézeradó 1550 nm-re

55 55Interaktív KTV 2008 Az EDFA és működése

56 56Interaktív KTV 2008 Az EDFA zaja

57 57Interaktív KTV 2008 HI-Power EDFA

58 58Interaktív KTV 2008 Optical Loss Budget OLB

59 59Interaktív KTV 2008 Optikai hálózati struktúrák

60 60Interaktív KTV 2008 Tipikus optikai elosztóhálózat

61 61Interaktív KTV 2008 A hibrid vonalhálózat felépítése

62 62Interaktív KTV 2008 Optikai elosztóhálózat tervezése

63 63Interaktív KTV 2008 Optikai elosztóhálózat tervezése

64 64Interaktív KTV 2008 Optikai elosztóhálózat tervezése

65 65Interaktív KTV 2008 Harmonic Lightwaves Inc. Link Extender

66 66Interaktív KTV 2008 A Link Extender előnyei

67 67Interaktív KTV 2008 Optikai gyűrű felépítése

68 68Interaktív KTV 2008 Optikai gyűrű tervezése

69 69Interaktív KTV 2008 Optikai gyűrű tervezése

70 70Interaktív KTV 2008 Optikai gyűrű tervezése

71 71Interaktív KTV 2008 Fiber Optic Handbook, Fiber, Devices, and Systems for Optical Communications, editor: M. Bass, (associate editor: E. W. Van Stryland) McGraw-Hill, New York, J. L. Miller, and E. Friedman, Photonics Rules of Thumb, Optics, Electro-Optics, Fiber Optics, and Lasers, McGraw-Hill, New York, P. C. Becker, N. A. Olsson, and J. R. Simpson, Erbium-Doped Fiber Amplifiers, Fundamentals and Technology, Academic Press, San Diego, J. Singh, Semiconductor Optoelectronics, Physics and Technology, McGraw-Hill, New York, J. Singh, Optoelectronics, An Introduction to Materials and Devices, McGraw-Hill, New York, C. R. Pollock, Fundamentals of Optoelectronics Irwin, Chicago, 1995.


Letölteni ppt "Széchenyi István University Győr HungaryLézerek Nagy Szilvia."

Hasonló előadás


Google Hirdetések