Optic_lr_metod_1-5 (Методичка по выполнению лабораторных работ)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики

(технический университет)»

Подлежит возврату

№ _0538_

волоконно-оптические устройства

и системы

Методические указания по выполнению лабораторных работ

Для студентов специальностей:

210201 Проектирование и технология радиоэлектронных средств,

210301 Радиофизика и электроника,

210302 Радиотехника.

МОСКВА - 2006

Составители: Э.А.Засовин, В.Ш.Берикашвили , М.Е.Белкин,

Н.Т.Ключник

Редактор - Э.А.Засовин

Предлагаемые методические указания рекомендуются для проведения лабораторных работ по дисциплинам: «Волоконно-оптические устройства и системы», «Оптические устройства в радиотехнике», «Интегральная и волоконная оптика». Изложено описание лабораторных стендов, методик проведения лабораторных работ, форма представления отчетов. Даются контрольные вопросы и упражнения, позволяющие проверить степень усвоения материала.

Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Рецензенты: В.И.Смирнов, Ю.П.Пантелеев

МИРЭА, 2006

Литературный редактор О.А.Брот

Подписано в печать 29.03.2006. Формат 6084¹/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная.

Усл. 1,86. Усл. кр.- отт. 7,44. Уч.-изд. Л.»,0.

Тираж 200 экз. Заказ 241. Бесплатно.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)»

119454 Москва, пр. Вернадского, 78

Введение

В последние годы бурно развивается техника волоконно-оптических систем сбора, обработки и передачи информации. Волоконно-оптические линии связи характеризуются высокой информационно-пропускной способностью, помехозащищенностью и "закрытостью" канала. Они находят широкое применение в разных областях техники. Методические указания содержат ряд новых научных и практических сведений для приобретения навыков работ с современными оптическими устройствами, входящими в состав волоконно-оптических систем передачи информации, и необходимы для правильного выполнения лабораторных работ по дисциплинам «Волоконно-оптические устройства и системы», «Оптические устройства в радиотехнике», «Интегральная и волоконная оптика».

Лабораторная работа № 1

Исследование излучательных характеристик светодиодов

1. Цель работы

Ознакомление с устройством и функционированием полупро­водниковых светодиодов, изучение их основных излучательных характеристик и особенностей работы с аппаратурой для измере­ния мощности оптического излучения.

1. Устройство и функционирование полупроводниковых светодиодов

Полупроводниковые светодиоды широко используются в совре­менной радиоэлектронной аппаратуре в качестве индикато­ров и источников излучения для волоконно-оптических информа­ционных систем. В последнем случае используются светодиоды видимого и инфракрасного излучения. Конструкция, условное графическое отображение и принцип работы показаны, соответст­венно, на рис. 1а, 1б, и 1в.

+ E₄

E ₃

E

p

₂

E₁

n

h h

E ₀



а) б) в)

Рис. 1. Конструкция (а), условное графическое обозначение (б) и энергетические переходы светодиода (в)

Как и всякий диод, светодиод основан на использовании p-n - перехода в полупроводниковой структуре. При подаче напря­жения с плюсом на p и минусом на n в цепи возникает ток. При подаче напряжения противоположной полярности (ниже уровня пробоя) - ток в цепи не протекает. Вольтамперная характе­ристика светодиода приведена на рис. 2.

При протекании тока в области p-n -перехода в область р проникают инжекционные электроны, которые, соударяясь с электронами атомов области p, выбивают последние с низшего энергетического уровня E₀ на более высокие уровни E₁ , E₂ , E₃ и т.д. На этих уровнях электроны находятся в неустойчивом состоя­нии и переходят на низшие уровни с выделением энергии излу­чения:

 E_ij = E_i - E_j = h_ij ,

где h - постоянная Планка, _ij - частота излучения, i и j - индексы энергетических уровней начального и конечного состоя­ния одного перехода (рис. 1в).

При некоторых переходах выделя­ется малая энергия без проявления излучения. Они называются безизлучательными. Некоторые из них сопровождаются излуче­нием в радиочастотном диапазоне. Полупроводниковый материал и легирующие присадки определяют длину основной волны излу­чения светодиода в видимой или инфракрасной области. Зависи­мость мощности (яркости) излучения от тока P(J) называется ватт-амперной характеристикой светодиода.

I, A

0,5 P_max

P_max

0,5 P_max

U, B

Рис. 2. Вольтамперная харак­теристика светодиода

Рис. 3. Диаграмма направленности и угол расходимости светодиода

При малых токах, как правило, мощность (яркость) излучения светодиода P_изл пропорциональна протекающему в нем току J:

P_изл = J ,

где  - коэффициент пропорциональности, характеризующий излучательную способность светодиода.

Отношение мощности излучения Р_изл к мощности электриче­ского тока Р_тока, затрачиваемого на возбуждение излучения, назы­вается квантовым выходом светодиода:

К_вых = Р_изл / Р_тока.

Излучение светодиода имеет угловую расходимость , пока­занную на рис. 3. Распределение мощности относительно оси излучения называется диаграммой направленности излучения. Количественной характеристикой расходимости является угол расходимости  между двумя лучами, проведенными к точкам с уровнем 0,5 P_max. Количественной характеристикой расходимо­сти является также числовая апертура источника излучения, кото­рая определяется как:

NA = sin  ,

где угол расходимости  выражен в градусах.

Плотность мощности излучения на единицу поверхности уменьшается с расстоянием от источника по закону:

P_s = A G / r² = A/ (r² _r) ,

где A – постоянная, угол расходи­мости _r выражен в радианах, а G=1/_r - коэффициент направлен­ности излучения.

Ослабление излучения в линии связи можно выразить через коэффициент ослабления K: P₁ =K P₀, где P₀ исходная мощ­ность, P₁ - мощность на выходе линии.

Иногда ослабление удобнее выражать в децибелах:

 = 10 lg(P₀ /P₁) = 10 lg (1/K) .

При ослаблении мощности излучения в 10 раз говорят, что она снизилась на 10 дБ.

1. Описание стенда

Электрическая схема стенда приведена на рис. 4. Она состоит из схемы питания светодиода и схемы блока измерения мощности излуче­ния. Схемы включают следующие элементы: блок питания БП, предельное и регулировочное сопротивления R1 и R2 , миллиам­перметр mA₁ , вольтметр V, контактный разъем КР, светодиод VD1, фотодиод VD2 , измерительные миллиамперметры mA₂ и mA₃, переключатель Кл.

Блок

питания

БП

R1 R2 mA₁ VD1 VD2 mA₂ Кл mA₃

КР

а б

Рис. 4. Электрическая схема стенда для исследования ватт-ампер­ных характеристик светодиодов (а - схема питания све­тодиода, б - схема измерения мощности излучения)

Напряжение с блока питания БП подается через сопротивле­ния R1 , R2 , миллиамперметр mA₁ , контактный разъем КР на светодиод VD1. Излучение светодиода попадает в окно фотодиода VD2 (ФД-24К), фототок которого измеряют миллиамперметрами mA₂ или mA₃. Мощность излучения светодиода определяют по фототоку с помощью графика "ток-мощность", прилагаемого к стенду. При отсут­ствии графика «ток-мощность» принять ток фотодиода 100 мкА соответствующим мощности излучения 1 мВт.

1. Задание по лабораторной работе

При проведении лабораторной работы выполнить следующее:

1. Ознакомиться с описанием стенда и основными характери­стиками светодиода.

2. Осмотреть и определить основные устройства стенда и его контрольно-измерительные приборы.

3. Провести собеседование с преподавателем и ответить на контрольные вопросы.

4. Вывести сопротивление R2 в крайнее левое положение.

5. Вставить исследуемый светодиод в разъем КР.

6. Включить блок питания и проверить наличие тока в цепи светодиода по миллиамперметру mA₁ (если тока нет поме­нять полярность светодиода в разъеме).

7. Провести измерение вольт-амперной характеристики и построить график.

8. Вплотную приблизить светодиод к фотодиоду, измерить мощность его излучения по измерению силы тока в цепи фотодиода миллиамперметрами mA₂ или mA₃ (с помощью графика "ток-мощность", прилагаемого к стенду). При отсут­ствии графика «ток-мощность» принять ток фотодиода 100 мкА соответствующим мощности излучения 1 мВт.

9. Если измерить зависимость по п. 7 и 8 не удается из-за зашка­ливания миллиамперметров mA₂ или mA₃, необхо­димо ослабить излучение в 2-4 раза, отодвинув светодиод от фотодиода, и провести измерения с учетом коэффици­ента ослабления мощности.

10. Построить график зависимости мощности излучения светодиода от силы тока в его цепи (ватт-амперную харак­теристику).

11. Определить зависимость квантового выхода от силы тока и построить график.

12. Снять зависимость плотности мощности от расстояния в см между светодиодом и фотодиодом.

1. Представление результатов

Результаты работы должны быть представлены в следующем виде:

1. Функциональная схема стенда.

2. График вольт-амперной характеристики.

3. График ватт-амперной характеристики.

4. График зависимости квантового выхода от силы тока.

5. График зависимости плотности мощности излучения от расстояния между светодиодом и фотодиодом.

6. Оценки погрешности измерений.