پروژه مالی ارتباط بین طیف خروجی و کاواک در لیزر نیمه هادی

 چکیده:

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، Ith ، 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  عبارتست از  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 آن ها 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:

در لیزرهای رایج گذار های کوانتومی بین ترازهای انرژی مجزا صورت می‎گیرد در حالیکه در لیزر نیمه هادی گذارها به خواص نوری مواد بستگی دارند.

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.

مشخصات بینایی لیزرهای نیمه هادی شدیداً به خواص محیط پیوند (نظیر گاف نوار، و تغییرات ضریب شکست) بستگی دارد.

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 می گیریم اگر در زمان تأخیر 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 تأخیر  صورت گیرد بنحوی که  گفته می‎شود موج دارای همدوسی پاره ای زمانی با زمان همدوسی  است.

جهتمندی: این خاصیت نتیجه مستقیم این امر است که ماده فعال لیزری به شکل زیر در داخل کاواک قرار داده شود. در واقع فقط موجی که در امتداد کاواک منتشر می‎شود (یا در امتدادی که خیلی نزدیک به آن است) می‎توان در کاواک دوام بیاورد. ابتدا به بررسی همدوس کامل فضایی می‎پردازیم: فرض می‎شود باریکه ای با شدت یکنواخت و جبهه موج تخت روی پرده s که دارای یک گشودگی است فرود می‎آید طبق اصل هویگنس، جبهه موج در هر صفحه P در پشت پرده با برهم نهش موجهای جزئی که از هر نقطه گشودگی گسیل می‎شود بدست می‎آید به علت متناهی بودن اندازه گشودگی، D، باریکه دارای واگرایی محدود  است مقدار واگرایی از نظریه پراش بدست می‎آید:

(1-1)                                                                                       

که در آن  به ترتیب طول موج و قطر باریکه اند  ضریب و از مرتبه واحد است که مقدار آن به شکل توزیع دامنه و به طرز تعریف واگرایی و قطر باریکه بستگی دارد باریکه ای که واگرایی آن از معادله بالا بدست می‎آید محدود شده پراشی نامیده می‎شود اگر موج دارای همدوسی پاره ای فضایی باشد واگرایی آن بزرگتر از کمینه مقداری خواهد بود که بوسیله پراش تعیین می‎شود.

(نمودار و تصاویر در فایل اصلی موجود است )

(1-2)                                                                                       

درخشایی: بنا به تعریف، درخشایی یک چشمه امواج الکترومغناطیسی عبارتست از توان گسیل شده از واحد سطح چشمه در واحد زاویه فضایی. فرض می کنیم که ds جزء مساحت در نقطه O در سطح چشمه باشد توان dp را که توسط ds در زاویه فضایی  در اطراف امتداد  گسیل می‎شود می‎توان بصورت زیر نوشت:

(1-3)                                                                                     

که در آن  زاویه بین امتداد  و n عمود بر سطح چشمه است کمیت  عموماً به مختصات قطبی  امتداد  و همچنین به نقطه o بستگی خواهد داشت این کمیت را درخشایی چشمه در نقطه o در امتداد  می‎نامند. اگر B مستقل از  باشد چشمه را چشمه همسانگرد گویند (چشمه لابرت) درخشایی پرتو لیزر حتی با قدرت کم چندین مرتبه بزرگتر از درخشایی، درخشانترین چشمه های معمولی بیشتر است و این به علت خاصیت جهتمندی فوق العاده بالای باریکه لیزر است.

 نمودار شدت نور لیزری

1-2- انواع لیزر:[1]

انواع لیزر بسیار زیاد بوده و بسته به نوع ماده فعال لیزری، لیزرها نامگذاری می‎شوند چند نوع که کاربرد وسیعی در صنایع دارند عبارتند از: 1- لیزر نیمه هادی 2- لیزر حالت جامد3- لیزرهای گازی 4- لیزرهای رنگی 5- لیزرهای الکترون آزاد.

< >لیزر نیمه هادی: اساس کار لیزر نیمه هادی پیوند مواد نوع p ، نوع n و تزریق جریان الکتریکی می‎باشد. کل بحث در این پروژه راجع به لیزر نیمه هادی خواهد بود.لیزرهای حالت جامد: به لیزرهایی گفته می‎شود که در محیط فعالشان، بلور عایق یا شیشه ای وجود دارد در این لیزرها غالباً یونهای ناخالصی داخل شده به بلور یونی، به عنوان ماده فعال بکار می روند معمولاً یون ناخالصی به یکی از گروههای عناصر واسطه در جدول تناوبی تعلق دارد مثلا  .لیزرهای گازی: استفاده از گازها به عنوان ماده فعال لیزری تفاوت جالبی با جامدات دارد دلیل آن اینست که جمعیت های معکوسی که می‎توان در گازها به دست آورد خیلی کمتر از جامدات است. یک میله Nd: YAG تقریباً 1025*6 اتم Nd در هر مترمکعب دارد ولی در لیزر He-Ne فقط 1021 اتم Ne در هر مترمکعب دارد بنابراین انتظار داریم که لیزرهای گازی پرقدرت، خیلی حجیم و بزرگ باشند از سوی دیگر گازها خیلی یکنواخت تر و همگن تر از جامدات هستند و می‎توان برای خنک کردن و دوباره پرکردن، آنها را در یک مدار بسته به حرکت درآورد. از آنجا که اتمها خطوط جذبی بسیار باریکی در گازها دارند تقریباً‌ غیرممکن است که به کمک تحریک (دمش) نوری در آنها جمعیت معکوس ایجاد نمود و به جای آن معمولاً از روش تخلیه الکتریکی استفاده می‎شود. در روش تخلیه الکتریکی، هم الکترون ها و هم یونها و هم اتمهای خنثی وجود دارند الکترونهای آزاد توسط میدان الکتریکی در تخلیه شتاب می گیرند و به سمت آند حرکت می‌کنند و اگر در بین راه به اتمها و یونها برخورد کنند مقداری و یا همه انرژی خود را در برخورد با آنها از دست می دهند و آنها را به تراز بالای لیزری دمش می‌کنند.برای راحتی لیزرهای گازی را به سه دسته تقسیم می‌کنند: لیزرهای اتمی، لیزرهای یونی و لیزرهای مولکولی. بسته به این که گذار لیزری بین دو تراز انرژی اتم، یا یون، یا مولکول به وقوع بپیوندند.< >لیزرهای رنگی: مایعات در مقایسه با جامدات و گازها دارای مزایایی هستند و می‎توان آنها را به عنوان ماده فعال به کار برد. مانند گازها بسیار یکنواخت تر از جامدات هستند و برای ساختن آنها مشکلی وجود ندارد و به راحتی در کاواک لیزر برای سرد شدن و یا پر کردن مجدد، جریان می یابند علاوه بر این چگالی ماده فعال در مقایسه با گازها بسیار بیشتر است. چندین نوع مختلف از لیزرهای رنگی ساخته شده اند که مهمترین آنها رنگ های آلی هستند که در حلال مناسبی مورد استفاده قرار می گیرند چنین محلولهایی فلوئورسنت بسیار قوی هستند یعنی جاذب تابش ها در ناحیه ای از طول موجها هستند و متعاقباً در یک ناحیه ای دیگر معمولاً طول موج های بلندتر تابش می‌کنند اختلاف انرژی بین فوتونهای تابشی و جذب شده به صورت گرما ظاهر می‎شود یک نوع معروف این مواد رودامین G6 حل شده در اتانول است که باند جذبی و تابشی آن نشان داده شده است. 

Abstract:

In this thesis different kind of semiconductor structures were investigated. Effects of different parameters such as thershold current and optical losses has been studied.

The Diode laser were made by LPE method and five layer were made with different thicknesses (0.05 in active layer) impurity density were measured by SIMS which indicates that impurity keep constant in the thickness of all layers.

And by AFM the thicknesses were measured which showed 0.05 to 8.

Different modes were observed above thershold current. Thershold current measured for the laser diode which was 70  for the chip in 300 * 200.

By using the relation,                          , was measured for each spectrum : the length of the cavity were calculated which was 206and it has only %6 Devication with the Thecnical Value.