Методичка по выполнению лабораторных работ (ещё одна)
Описание файла
Документ из архива "Методичка по выполнению лабораторных работ (ещё одна)", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "оптика в радиотехнике" из 9 семестр (1 семестр магистратуры), которые можно найти в файловом архиве РТУ МИРЭА. Не смотря на прямую связь этого архива с РТУ МИРЭА, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "оптика в радиотехнике" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Методичка по выполнению лабораторных работ (ещё одна)"
Текст из документа "Методичка по выполнению лабораторных работ (ещё одна)"
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 60841/16.
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
-
Цель работы
Ознакомление с устройством и функционированием полупроводниковых светодиодов, изучение их основных излучательных характеристик и особенностей работы с аппаратурой для измерения мощности оптического излучения.
-
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
2E1
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:
Eij = Ei - Ej = hij ,
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 Pmax
Pmax
0,5 Pmax
U, B
Рис. 2. Вольтамперная характеристика светодиода | Рис. 3. Диаграмма направленности и угол расходимости светодиода |
При малых токах, как правило, мощность (яркость) излучения светодиода Pизл пропорциональна протекающему в нем току J:
Pизл = J ,
где - коэффициент пропорциональности, характеризующий излучательную способность светодиода.
Отношение мощности излучения Ризл к мощности электрического тока Ртока, затрачиваемого на возбуждение излучения, называется квантовым выходом светодиода:
Квых = Ризл / Ртока.
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 Pmax. 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:
Ps = 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.
-
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.
-
Задание по лабораторной работе
При проведении лабораторной работы выполнить следующее:
-
Ознакомиться с описанием стенда и основными характеристиками светодиода.
-
Осмотреть и определить основные устройства стенда и его контрольно-измерительные приборы.
-
Провести собеседование с преподавателем и ответить на контрольные вопросы.
-
Вывести сопротивление R2 в крайнее левое положение.
-
Вставить исследуемый светодиод в разъем КР.
-
Включить блок питания и проверить наличие тока в цепи светодиода по миллиамперметру mA1 (если тока нет поменять полярность светодиода в разъеме).
-
Провести измерение вольт-амперной характеристики и построить график.
-
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.
-
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.
-
Построить график зависимости мощности излучения светодиода от силы тока в его цепи (ватт-амперную характеристику).
-
Определить зависимость квантового выхода от силы тока и построить график.
-
Снять зависимость плотности мощности от расстояния в см между светодиодом и фотодиодом.
-
Представление результатов
Результаты работы должны быть представлены в следующем виде:
-
Функциональная схема стенда.
-
График вольт-амперной характеристики.
-
График ватт-амперной характеристики.
-
График зависимости квантового выхода от силы тока.
-
График зависимости плотности мощности излучения от расстояния между светодиодом и фотодиодом.
6. Оценки погрешности измерений.
7. Ответы на контрольные вопросы (устно).
-
Контрольные вопросы
-
На каких принципах основана работа светодиода?
-
На каких принципах основана работа фотодиода?
-
Чем отличается светодиод от фотодиода?
-
Чем отличается полупроводниковый светодиод от полупроводникового лазера?
-
Как определить квантовый выход светодиода?
-
Как определяется угловая расходимость светодиода?
-
В каких единицах измеряется ослабление мощности излучения светодиода?
-
Как измерить плотность мощности на единицу поверхности?
-
Как изменяется плотность мощности на единицу поверхности от расстояния до светодиода?
-
Каким способом можно уменьшить угловую расходимость светодиода?
-
Как определить качество светодиода по его квантовому выходу?
Лабораторная работа № 2