ОЭУ_ЛР1,ЛР2_методичка (1088850)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

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, ЮЛ. Пантелеев

© МИРЭА, 2006

Литературный редактор О.А. Брот

Подписано в печать 29.03.2006. Формат 60x84Vi6.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,86. Усл. кр.-отт. 7,44. Уч.-изд. л. 2,0.

Тираж 200 экз. Заказ 24]. Бесплатно

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Мо^кий 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 излучателъных характеристик и особенностей работы с аппаратурой для измере­ния мощности оптического излучения.

2. 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

з

графическое отображение и принцип раооты показаны, соответст­венно. на рис 1а, 1б, и 1в.

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

Как и всякий диод, светодиод основан на использовании р-п -перехода в полупроводниковой структуре. При подаче напря­жения с плюсом на p и минусом на п 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 р-п -перехода в область р проникают ннжекционные электроны, которые, соударяясь с электронами атомов области р, 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:

ΔE_ij = E_i - E_j = h∙ν_ij,

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

При некоторых переходах выделяется малая энергия без про­яления излучения. Они называются безизлучательными. Некото­рые из них сопровождаются излучением в радиочастотном диапа­зоне. Полупроводниковый материал и легирующие присадки оп-

ределяют длину основной волны излучения светодиода в види­мой или инфракрасной области. Зависимость мощности (яркости) излучения от тока P(J) называется ватт-амперной характеристикой светодиода.

Рис. 2. Вольтамперная харак- Рис. 3. Диаграмма направлен-

теристика светодиода ности и угол расходимости све-

тодиода

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

Р_изл = α∙J,

где α - 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 θ, пока­занную на рис. 3. Распределение мощности относительно оси из­лучения называется диаграммой направленности излучения. Ко­личественной характеристикой расходимости является угол рас­ходимости θ между двумя лучами, проведенными к точкам с уровнем 0,5 Р_max. Количественной характеристикой расходимости является также числовая апертура источника излучения, которая определяется как: NA = sin θ ,

где угол расходимости в выражен в градусах.

5

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

P_з = AG/r² = A/(r² θ_r) ,

где А - постоянная, угол расходимости θ_r выражен в радиа­нах а G = 1/θ_r - коэффициент направленности излучения.

Ослабление излучения в линии связи можно выразить через коэффициент ослабления К: P₁ = К Р₀ где Р₀ исходная мощ­ность, P₁ - мощность на выходе линии.

Иногда ослабление удобнее выражать в децибелах: α = 10 lg(Р₀/P₁) = 10 lg (1/К).

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

3. 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.

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 фотодио-

да 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.

4. 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 отвегить 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 тА] (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 тА₂ или тА₃ (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 тА₂ или mA_3s 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 свето­
диода от силы тока в его цепи (ватт-амперную харак­
теристику).

11. Определить зависимость квантового выхода от силы тока и по­
строить график.

7

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

5. 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.

7. Ответы на контрольные вопросы (устно).

6. Контрольные вопросы

1. На каких принципах основана работа светодиода?

2. На каких принципах основана работа фотодиода?

3. Чем отличается светодиод от фотодиода?

4. Чем отличается полупроводниковый светодиод от полупро­водникового лазера?

5. Как определить квантовый выход светодиода?

6. Как определяется угловая расходимость светодиода?

7. В каких единицах измеряется ослабление мощности излу­чения светодиода?

8. Как измерить плотность мощности на единицу поверх­ности?

9. Как изменяется плотность мощности на единицу поверх­ности от расстояния до светодиода?

10. Каким способом можно уменьшить угловую расходи­
мость светодиода?

¹¹вь^^С Т^{РСАеЛИТЬ КачеСТВ0 свет}°даода по его квантовому

Лабораторная работа № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ СВЕТОДИОДОВ И ЧИСЛОВОЙ АПЕРТУРЫ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ

1. Цель работы

Исследование пространственного распределения излучения светодиодов, полупроводниковых лазеров и волоконных свето­водов. Определение некоторых характеристик световодов по диа­грамме направленности излучения.

2. Особенности пространственного распределения излучения различных источников

В настоящее время в качестве источников света использу­ют: лампы накаливания, газоразрядные лампы, газовые и твердо­тельные лазеры, полупроводниковые светодиоды и лазеры. Каж­дый из них имеет характерное угловое распределение излучения. Лампы накаливания и газоразрядные имеют разнонаправленное диффузное излучение. Светодиоды имеют направленное излуче­ние с большой угловой расходимостью. Полупроводниковые лазе­ры имеют излучение с разной расходимостью по двум осям коор­динат ортогональных к направлению излучения. Газовые лазеры обладают излучением с очень малой расходимостью (рис.1).

Вид источника, характер излучения и его пространственное распределение определяют возможность использования излучения в оптических системах. Так, например, лампы накаливания имеют непрерывное спектральное распределение, соответствующее излучению "черного тела" при температуре равной температуре спирали (≈2700К). Газоразрядные лампы имеют линейчатый спектр излучения. Их излучение является также диффузным, т.е. рассеивается в разные стороны под разными углами. Это затрудняет фокусировку излучения и использование его в спектроанализаторах.

9

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лабораторной работы