LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 13

GENERATOARE DE SEMNALE

FOTONICE

2.1 Scopul lucrării Scopul acestei lucrări este cunoaşterea unor tipuri de generatoare

fotonice precum şi determinarea caracteristicilor curent/tensiune şi

putere/curent ale LED-urilor şi diodelor laser, a distribuţiei spaţiale în câmp

îndepărtat şi măsurarea divergenţei fasciculului laser.

2.2 Introducere teoretică 2.2.1 Scurt istoric

Optoelectronica este domeniul ştiinţei şi tehnicii care foloseşte

fascicule de fotoni pentru procesarea informaţiei, care a apărut şi s-a

dezvoltat din nevoia de a transmite informaţia cu viteză tot mai mare. În

adevăr, electronica tradiţională care îndeplineşte aceleaşi funcţiuni, bazată

pe electroni, şi-a dovedit limitele sale in principal din cauză că electronul

are o viteză prea mică în corpul solid datorită interacţiei electron-materie

( în siliciu, viteza este de sute de kilometri pe secundă ), iar fotonul,

particulă neutră electric se deplasează în corpul solid aproximativ de 1000

de ori mai repede obţinând astfel performanţe în viteză de aproximativ 1000

de ori mai mari.

Fotonii există de când există lumea si savanţii şi-au pus problema

naturii luminii abia în Grecia antică; după ştiinţa noastră, lui Democrit

LUCRAREA NR.2 14 _____________________________________________________________________

(c. 460-c. 370 î.e.n.) i se datorează ideea naturii corpusculare a luminii, idee

care a dăinuit până în secolul XVII. In 1690, Christian Huygens a propus o

teorie care explica natura ondulatorie a luminii. In 1704 Isaac Newton care

descoperise anterior spectrul vizibil, a oferit o teorie alternativă care

susţinea că lumina este compusă din corpusculi care sunt emişi de corpurile

luminoase. Datorită pe de o parte prestigiului lui Newton şi pe de altă parte,

lipsind o evidenţă experimentală suficientă, pentru a asigura o bază adecvată

de comparaţie a celor două teorii, pentru mai mult de 100 ani, teoria

corpusculară a lui Newton privind lumina a fost preferată teoriei ondulatorii.

În final, au fost efectuate experimente importante privind difracţia şi

interferenţa luminii de către Thomas Young (1801) şi de către A.J. Fresnel

(1814) care au putut fi interpretate numai în termenii teoriei ondulatorii.

Polarizarea luminii era un alt fenomen care putea fi explicat numai prin

teoria ondulatorie. Astfel, în secolul al XIX-lea teoria ondulatorie a devenit

teoria dominantă a naturii luminii. Teoria ondulatorie a primit un suport

suplimentar, odată cu teoria electromagnetică a lui James Clerk Maxwell

(1864) care demonstra propagarea simultană a câmpurilor electric şi

magnetic cu o viteză identică cu cea a luminii. Astfel, a devenit clar ca

lumina vizibilă este o formă a radiaţiei electromagnetice, constituind numai

o mică porţiune a spectrului electromagnetic. Lui Einstein i se datorează

denumirea de foton pentru această veche microparticulă (în limba greacă

phos, photos = lumină).

2.2.2 O clasificare a generatoarelor fotonice

După principiul de funcţionare, se întâlnesc următoarele tipuri de

generatoare fotonice :

generatoare bazate pe radiaţia corpurilor incandenscente, la care

energia de pompare a microparticulelor este energia termică;

LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 15

generatoare bazate pe descărcări în gaze, la care energia de

pompare se obţine de la curentul de descărcare a gazului;

generatoare luminiscente, care pot fi cu

- fotoluniniscenţă, cu energia de pompare în spectrul optic

ultraviolet ;

- catodoluminiscenţă, energia de pompare obţinută prin

bombardament cu fascicul de electroni;

radioluminiscenţă, energia de pompare obţinută de la un

fascicul de fotoni X sau ;

electroluminiscenţă, energia de pompare realizată prin

câmp electric continuu sau câmp electric alternativ;

generatoare necoerente bazate pe recombinarea în joncţiuni

semiconductoare ( LED,IRED); generatoare coerente bazate pe

recombinarea in joncţiuni semiconductoare(diode LASER ); diode laser

semiconductoare dublă heterojoncţiune (DH); diode laser cu bariere

cuantice (SQW-laser,MQW-laser );

diode laser cu structuri distribuite (DFB şi DBR );

diode laser cu cavitate verticală cu emisie pe suprafaţa (VCSEL).

2.2.3 Principiul de funcţionare

La baza funcţionării LED-urilor şi a diodelor laser stau principiile

electronicii cuantice, comune tuturor laserilor, aplicate joncţiunii p-n.

Diodele care emit radiaţie incoerentă sunt LED-urile şi acelea care emit

radiaţie stimulată sunt diodele laser. Aceste diode sunt realizate din

materiale monocristaline care constau din structuri heterojoncţiune, în care

LUCRAREA NR.2 16 _____________________________________________________________________

sunt combinate straturi de tipurile p şi n, pentru a realiza proprietăţile

proiectate.

Fig. 2-1. Structura unei diode laser cu emisie laterala şi profilul fasciculului.

În Fig. 2-1 sunt date structura unei diode laser cu emisie laterală,

profilul fasciculului laser şi dimensiunile geometrice ale structurii. Emisia

fasciculului laser are loc în planul joncţiunii şi perpendicular pe apertura

optică. În comparaţie cu alte tipuri de laseri, dioda laser oferă unele

avantaje, precum dimensiuni considerabil mai mici, preţuri de cost reduse şi

abilitatea unică de modulaţie a puterii la ieşire, prin variaţia curentului în

w (1-250)

L 200-500 m

I x

y

Undă

Faţeta de clivaj

50% din PUTERE

z

Zona de sarcina spatiala

p+ n

LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 17

dispozitiv, până la rate de ordinul zecilor de GHz. Despre un LED se poate

gândi ca despre o diodă laser care nu are cavitate. Şi LED-ul şi dioda laser

emit fotoni ca urmare a recombinării purtătorilor de sarcină. Dacă structurii i

se adaugă o cavitate cu Q mare, reacţia poate îndeplini condiţia declanşării

efectului laser. Cele mai multe diode laser au cavitatea constituită chiar în

ele. Cavitatea cu Q mare limitează drastic numărul modurilor de

funcţionare. Rezultatul constă în îngustarea pronunţată a lărgimii liniei de

emisie şi în reducerea dimensiunilor transversale ale fasciculului, precum şi

în creşterea eficienţei cuantice. Dioda laser se poate compara cu LED-ul de

putere mică dar LED-ul prezintă o lărgime spectrală de emisie mai largă,

radiaţie necoerentă, mai puţin direcţională şi capabilitate de modulaţie

limitată de timpul de viaţă a purtătorilor de sarcină. Fabricarea acestor diode

implică creşterea epitaxială a compuşilor III-V prin diferite metode

incluzând epitaxia în fază lichidă, epitaxia în fază de vapori şi epitaxia în

fascicul molecular. Diodele laser şi LED-urile destinate comunicaţiilor

optice, folosesc GaAs şi AlGaAs pentru domeniul spectral 0,8-0,9 m şi

InGaAs sau InGaAsP pentru domeniul 1,0 m – 1,3 m. Semiconductoarele

cu bandă interzisă directă, aşa cum sunt GaAs şi InP pot produce eficient

lumină. În particular, compuşii InxGa1-xAs şi InxGa1-xAsyP1-y sunt folosiţi

pentru fabricarea LED-urilor şi a diodelor laser cu lungimi de undă pentru

LUCRAREA NR.2 18 _____________________________________________________________________

telecomunicaţii (1,3 m şi 1,55m – corespunzătoare ferestrelor a II-a şi

respectiv a III-a ale fibrei optice din SiO2). GaAs este folosit, în principal,

pentru realizarea diodelor laser din CD player ( ~ 0,8 m). Există două

tipuri de diode generatoare de lumină necoerentă: LEDuri cu emisie pe

suprafaţă şi LEDuri cu emisie laterală, Fig. 2-2.

La primele, lumina se extrage perpendicular pe suprafaţa

emiţătoare, fie prin traversarea regiunii subţiri p (sau a regiunii groase n),

sau în cazul cuplajului cu fibră, printr-un orificiu corodat. LED-urile

destinate comunicaţiilor optice întrunesc următorii parametri: rată înaltă de

modulaţie, radiantă înaltă, fiabilitate bună si emit pe lungimi de undă

cuprinse în domeniul spectral cu atenuare redusa în fibrele optice.

Tabelul 1-1. - Câteva semiconductoare cu valorile Eg Materialul Eg(eV) λ

GaAs 1,424 870 nm AlAs 2,09 590 nm GaP 2,24 550 nm InP 1,33 930 nm

AlGaAs 1,42-1,61 770 – 870 nm InGaAlAs 0,74 – 1,13 1100 – 1670 nm

Fig.2-2 Prezentarea schematică a două tipuri de LED-uri: a) LED cu emisie pe suprafaţă; b) LED cu emisie laterală.

fibră disc de cuplare

electrod superior regiune activă

(InGaAs)

electrod inferior p-InGaAsP n-InGaAsP

electrod superior

electrod inferior

fibră

LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 19

Laserii cu cavitate verticală cu emisie pe suprafaţă – VCSEL –

asigură în contrast cu structurile laser clasice – emisia luminii paralelă cu

direcţia de creştere epitaxială.

Fig. 2-3. O structură a unei diode laser VCSEL.

Fig. 2-4. Structuri de laseri VCSEL.

Ieşire

Substrat n-InP

n-InP

p-InP

Ieşire

Substrat

Contact Au/Ti

RBD p

Regiunea activă

RBD n

Fasciculul laser

y

Strat n

Strat p

x

z

Zona activă

LUCRAREA NR.2 20 _____________________________________________________________________

În particular, se poate realiza o emisie longitudinală monomod

datorită lungimii reduse a cavităţii, o densitate redusă a curentului de prag şi

o formă simetric rotaţională a zonei active, care permite emisia în profil

transversal circular. Ultima caracteristică este foarte importantă în multe

aplicaţii unde este necesară cuplarea la fibra optică astfel încât diodele laser

VCSEL sunt surse de lumină cu parametri superiori pentru comunicaţii.

O caracteristică esenţială a structurilor VCSEL constă în lungimea

foarte mică a cavităţii, echivalentă cu 1-3 lungimi de undă a luminii emise.

Ca rezultat, într-un singur parcurs al cavităţii, un foton are o şansă mică de

declanşare a emisiei stimulate la densităţi mici ale purtătorilor. Prin urmare,

laserii VCSEL necesită oglinzi cu reflectivitate înaltă, pentru a le asigura

eficienţă. Pentru laserii clasici reflectivitatea oglinzii de ieşire este de

Fig. 2-5. Variaţia puterii optice de ieşire funcţie de curentul de comanda: a) LED; b) dioda laser.

[mA]

30

[W]

10

Curentul prin diodă a)

Pute

rea

de ie

şire

Pou

t

[mA]

50

[W]

3

Curentul prin dioda laser b)

Pute

rea

de ie

şire

Pou

t

0 Ip

LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 21

aproximativ 30%. Pentru laserii cu structura VCSEL reflectivitatea cerută

trebuie să fie mai mare de 99,9%. Asemenea valori ale reflectivităţii nu pot

fi realizate cu oglinzi metalice. În cazul acestor laseri se face uz de

reflectoare Bragg distribuite.

În Fig. 2-5 se prezintă curbele caracteristice tipice de variaţie a

puterii de ieşire în funcţie de curentul de intrare pentru un LED şi pentru o

diodă laser. De notat că puterea de ieşire a LED-ului este lineară cu

curentul. Răspunsul diodei laser începe într-o manieră lineară (asemănătoare

LED-ului) apoi prezintă o creştere cu o pantă mult mai rapidă. Aceasta

înseamnă că, în jurul punctului de schimbare bruscă a pantei şi dincolo de

aceasta, are loc trecerea din regimul de emisie spontană în regimul de emisie

stimulată, aceasta fiind condiţia de prag.

2.2.4 Emisia stimulată şi câştigul

Un sistem atomic cu doua nivele, la echilibru termic, Fig. 2-6, este

reprezentat prin starea nivelului inferior care este populat cu cei mai mulţi

ioni şi nivelul superior populat cu foarte puţini ionii, conform distribuţiei

Boltzmann.

Se consideră un foton cu energia ђ12=h12=W2-W1, care

acţionează in sistem. Tipic, acest foton este absorbit pe un traseu de lungime

-1, provocând tranziţia unui electron adiţional pe nivelul superior,

Fig. 2-6,a). Absorbţia fotonului cu energia ђ12, cu probabilitatea în unitatea

de timp B12u, este descrisă de relaţia

LUCRAREA NR.2 22 _____________________________________________________________________

1121 NuB

dtdN

(2.1)

unde N1 şi N2 reprezintă densitatea atomilor în stările 1 şi respectiv 2, iar uν

este densitatea de energie.

Acest electron va reveni pe nivelul fundamental după un timp

mediu sp, timpul de viaţă al purtătorilor spontani, Fig. 2-6 b). Emisia

spontană a fotonului cu energia ђ12, cu probabilitatea în unitatea de timp

A21 este descrisă de ecuaţia

2212 NA

dtdN

sp

(2.2)

Fotonul incident poate produce un proces invers absorbţiei; el poate

induce tranziţia unui electron de pe nivelul superior pe nivelul inferior. În

această situaţie, procesul se numeşte emisie stimulată, fotonul indus este

emis în acelaşi mod ca şi fotonul incident. Deoarece, la echilibru termal

densitatea atomilor excitaţi este foarte mică, rata de emisie stimulată este

neglijabil de mică. Calea pentru îmbunătăţirea performanţelor este evident

cea a favorizării emisiei stimulate (LASER) în defavoarea emisiei spontane,

crearea condiţiilor pentru inversia de populaţie, în care populaţia atomilor

NIVELUL SUPERIOR (NEPOPULAT)

W1

W2

ђ12

NIVELUL INFERIOR (POPULAT)

NIVELUL SUPERIOR (PUŢIN POPULAT)

NIVELUL INFERIOR (PUTERNIC POPULAT)

ђ12

NIVELUL SUPERIOR (PUTERNIC POPULAT)

ђ12

NIVELUL INFERIOR (NEPOPULAT)

ђ12

a) b) c)

Fig. 2-6. Sistemul atomic cu două niveluri: a) procesul absorbţiei fotonului;

b)procesul emisiei spontane; c)procesul emisiei stimulate.

LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 23

excitaţi depăşeşte populaţia atomilor din starea fundamentală, devenind

astfel posibil câştigul optic, Fig. 2-6c). Emisia stimulată a unui foton de

pulsaţie , cu probabilitatea în unitatea de timp B12u, înseamnă scăderea

populaţiei nivelului 2, descrisă de relaţia

2212 NuB

dtdN

st

(2.3)

Semnul minus semnifica scăderea populaţiei pe nivelele respective.

Cele trei fenomene - absorbţia, emisia spontană şi emisia stimulată, există

simultan. Dacă unul dintre coeficienţi este nul (fenomenul corespunzător

lipseşte) şi ceilalţi coeficienţi sunt nuli. Nu vom putea deci construi

niciodată un generator fotonic bazat numai pe emisia stimulată, situaţie în

care toţi fotonii vor avea aceeaşi energie (acelaşi ω – coerenţa temporală

totală) şi acelaşi impuls (acelaşi k - coerentă spaţială totală). Dar ne putem

apropia de soluţia ideală favorizând emisia stimulată în defavoarea emisiei

spontane.

Cu aceasta s-a demonstrat emisia stimulată a radiaţiei – Stimulated

Emission of Radiation – SER. În continuare, se prezintă procesul de

amplificare a luminii în structurile laser semiconductoare, pentru a obţine

efectul de Amplificare a

Luminii prin Emisia

Stimulată a Radiaţiei –

LASER. În acest sens se

consideră cavitatea Fabry-

Perot reprezentată în

Fig. 2-7.

Cavitatea optică

asigură mecanismul

L

O1-(R1) O2-(R2)

Fig. 2-7 Schema rezonatorului laser. R1=1 R2=0,30

LUCRAREA NR.2 24 _____________________________________________________________________

reacţiei inverse şi al câştigului optic, prin reflexiile repetate la nivelul

oglinzilor O1 şi O2 şi amplificarea optică la fiecare trecere. Intensitatea

undei la sfârşitul unui parcurs, dus-întors, al cavităţii este

EEgLexpRRILI EE 202 21 (2.4)

şi câştigul la atingerea pragului laser este dat de relaţia

ERR

lnL

gEg p 21

121 (2.5)

2.2.5 Polarizarea joncţiunii semiconductoare si efectul laser

Joncţiunea semiconductoare p-n conduce curentul electric

preferenţial într-un singur sens.

Dacă se polarizează invers joncţiunea, bariera de potenţial creşte si

prin urmare circulaţia curentului în joncţiune se întrerupe.

Polarizarea directă – aşa cum se prezintă în Fig. 2-9.

Electroni

Nivelul Fermi

Goluri

Regiunea n Regiunea sarcina

spaţială

Regiunea p

BV

BC

Eg

EF

Fig. 2-8. Nivelele energetice în joncţiunea p-n nepolarizată.

LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 25

Tensiunea de polarizare directă creează în joncţiune purtători de

sarcină suplimentari, reducând bariera de potenţial şi determină injecţia de

purtători de sarcină prin joncţiune. Recombinarea constă în injecţia unui

electron, din BC a zonei n prin joncţiune într-un „gol” din BV a zonei p

(recombinarea electron-gol). Eliberarea energiei are loc ca rezultat al

recombinării. Energia este specifică energiei laser. O creştere bruscă a

conductivităţii apare când tensiunea de polarizare directă echilibrează

energia benzii interzise.

NOTĂ: Dacă nu este îndeplinită condiţia „inversiei de populaţie”,

care este cerută pentru producerea efectului laser, vor fi emişi fotoni prin

emisia spontană. Fotonii vor fi emişi în toate direcţiile aleatoriu, emisia

spontană stând la baza funcţionării LED-ului.

Fig. 2-9. Benzile energetice ale joncţiunii p-n polarizată direct.

Joncţiunea

Goluri

n p

Electroni Radiaţie de recombinare

+V

-V

LUCRAREA NR.2 26 _____________________________________________________________________

Condiţia inversiei de populaţie depinde de pompare. Prin creşterea

curentului injectat în joncţiune, se atinge curentul de prag care îndeplineşte

condiţia inversiei de populaţie.

Din teoria funcţionării joncţiunii p-n, ştim

"cuplare"eVhchE

(2.6)

unde - h este constanta din Planck ;

- lungimea de undă a radiaţiei DL;

e – sarcina electronului;

c – viteza luminii;

Vcupl – tensiunea de cuplare se determina experimental;

Valoarea a radiaţiei emisa de DL se determina experimental

folosind relaţia:

eVcuplhc

(2.7)

Tabelul 2-2. – Câteva constante numerice si valori tipice

Constanta Simbol Valoarea Unitatea Sarcina electronului e sau q 1,602 x 10-19 C Viteza luminii în vid c 2,998 x 108 m/s Constanta lui Planck h 6,626 x 10-34 Js Constanta lui Boltzmann k 1,381 x 10-23 J/grad K 1eV-energie eV 1,602 x 10-19 J Energia benzii interzise la GaAs

Eg 1,42la T=20C eV

LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 27

2.3 Desfăşurarea lucrării

ATENTIE! Nu stationati si nu priviti direct (in) fasciculul laser. Acesta

poate provoca pete pe retina.Vezi Anexa „Reguli de protectie antilaser”.

Feriti-va de lumina laser reflectata. Conectati tensiunea la dioda laser cu polaritatea

corespunzătoare. Nu depasiti tensiunea de alimentare a diodei laser, respectiv

4,5V, in scopul evitarii distrugerii.

2.3.1. LED-ul – Dioda emiţătoare de lumină – Light Emitting Diode

2.3.1.1 Determinarea caracteristicilor Id Vd şi PLEDId

Se montează modulul LED si capul de măsurare, (S122A), al

powermetrului optic, în câte un suport cu trei şuruburi şi se fixează pe placa

metalică cât mai aproape unul de celalalt, ca în Fig. 2-10.

Fig. 2-10. Montajul pentru măsurarea caracteristicilor IdVd şi PLEDId.

DUAL POW SUPP

TEC TM 515 roşu

(1-20V) mA

mV V+

180RL

(COMMON) negru POWERMETRU OPTIC

+ -

MODUL LED CAP DE MĂSURARE (S 122 A)

(CONSOLA S 110)

LUCRAREA NR.2 28 _____________________________________________________________________

Folosind hârtia semitransparentă se verifică alinierea capului de

măsurare cu LEDul, astfel încât fasciculul optic emis de LED sa fie cuprins

în suprafaţa activă a capului powermetrului. Folosind tastele MENU,

MEASURENTS şi , de pe consola S110 se stabileşte lungimea de

undă λ = 700nm. Cu tasta RANGE se pot stabili valori ale puterii de

10 μW, 100 μW, 1000 μW, 10 mW, 100mW. Se stabileşte valoarea puterii

scalei de măsurare corespunzătoare puterii emise de LEDul măsurat. În

schema montajului experimental din Fig. 2-10 , este prezentată şi schema

electrică principială de măsurare a tensiunii de alimentare a modulului LED

şi a curentului prin acesta. Multimetrul DIGITALMULTIMETER se

foloseşte pentru măsurarea tensiunii de alimentare a modulului LED şi a

curentului prin acesta. Modulul LED se alimentează din secţiunea surselor

din aparatul TEK 515. Valorile tensiunii V+[V] se stabilesc din butoanele de

reglare BRUT şi FIN, conform tabelului 2-3. Corespunzător valorilor

tensiunii V+ se măsoară Id[mA] şi se înscriu în tabel. Se completează apoi

tabelul, cu valorile calculate, ale Vd[mV] folosind relaţia de mai jos

ddd RIVV (2.8)

Tabelul 2-3. - Caracteristicile LED-ului IdVd şi PLEDId.

V+[V] 1 2 3 4 5 6 8 10 Id[mA]

PLED[μW] Vd[mV]

Cu valorile măsurate şi calculate, din tabel se trasează

caracteristicile IdVd şi PLEDId.

Se determină eficienţa LED-ului din caracteristica PLED - Id folosind

relaţia

LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 29

d

LED

IP

x 100% (2.9)

2.3.2 Distribuţia spaţială a fluxului optic emis de LED

2.3.2.1 Distribuţia unghiulară a fluxului optic emis de LED

Se foloseşte montajul experimental din Fig. 2-11. În locul

LED-ului din Fig. 2-9 se montează modulul emiţător LED cu goniometru

mecanic.

Se stabileşte tensiunea de alimentare la valoarea de +12 +/- 0,2 V,

astfel :

-se alimentează aparatul TEK TM 515 din reţeaua de ~220 V

trecând întrerupătorul ON - OFF aflat pe panoul din spate al aparatului pe

poziţia ON;

DUAL POW SUPP

TEC TM 515

Fig. 2-11. Montaj experimental pentru măsurarea distribuţiei unghiulare.

Rx

DIGITALVOLTMETER

+ -

HI LO

GONIOMETRU MECANIC

Ao

alb

verde

galben

negru

gri

INSTALAŢIE DE EMISIE (E)

albastru

INSTALAŢIE DE RECEPŢIE (R)

cuplat, decuplat

verde

negru

rosu

LUCRAREA NR.2 30 _____________________________________________________________________

-se conectează multimetrul digital (in regimul de măsurare a

tensiunii), la bornele roşu şi negru şi se reglează tensiunea la valoarea 12 +/-

0,2 V;

-se conectează la sursa de alimentare instalaţia de emisie (E) (firul

gri la borna roşu şi firul verde la borna negru ), şi apoi instalaţia de recepţie

(R) (firul galben la borna roşu şi firul albastru la borna negru);

-se stabileşte scala 2V la voltmetru si se conectează ieşirea

instalaţiei de recepţie (firul alb şi negru ) la voltmetru, conform schemei din

Fig. 2-11, (firul alb la +);

Se aliniază instalaţia de emisie şi cea de recepţie. Se stabileşte axa

de referinţă pe suportul circular al emiţătorului în dreptul gradaţiei 360 .

Se modifică distanţa D între emiţător si receptor până ce voltmetrul

indică valoarea tensiunii 1V.

Se roteşte controlat emiţătorul în sensul acelor de ceasornic, până

ce voltmetrul indică valoarea tensiunii de 0,5V şi se citeşte unghiul pe

goniometru. Se repetă operaţiunea, dar în sensul invers al acelor de

ceasornic şi se calculează media celor două unghiuri măsurate,

corespunzătoare valorii tensiunii de ieşire 0,5V.

Se revine în poziţia iniţială (tensiunea de ieşire 1 V) şi se reia

rotirea în sensul acelor de ceasornic, din trei in trei grade, citindu-se valorile

tensiunii măsurate, pentru 10 trepte succesive si se completează tabelul 2-4.

Tabelul 2-4. Date pentru trasarea distribuţiei unghiulare (grade) 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 V [V] 1

Se reprezintă graficele cu distribuţia unghiulară în coordonate

polare şi respectiv în coordonate lineare şi se caracterizează.

LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 31

2.3.2.2 Variaţia puterii LED-ului cu distanţa

Se foloseşte montajul experimental din Fig. 2-11. Se apropie

modulul fotoreceptor la 10 cm de emiţător, pe direcţia axului principal al

fasciculului şi se notează în tabelul 2-5 prima valoare a tensiunii Vout[mV].

Tabelul 2-5. Variaţia puterii LED-ului cu distanta

D[cm] 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Vout[mV] PLED[mW]

Se măreşte distanţa conform tabelului si se notează valorile

corespunzătoare ale tensiunii Vout[mV]. Cu datele experimentale obţinute se

calculează puterea emisă de LED şi recepţionată de fotodioda receptorului

optic. PLED[mW], din tabel, se calculează cu relaţia

foutLED R

VP

1 (2.10)

Unde Rf =1KΩ este rezistenţa de reacţie a amplificatorului de

transimpedanţă al modulului de recepţie şi R este responsivitatea fotodiodei

egală cu 0,5 A/W. Cu datele din tabel se trasează graficul de variaţie a

puterii LED-ului cu distanţa. Se stabileşte legea de variaţie a puterii cu

distanţa şi se trag concluzii.

2.3.3 Măsurarea răspunsului LED-urilor în domeniul frecvenţă.

Se realizează montajul experimental din Figura. 2-12.

Se alimentează modulul LED cu tensiune sinusoidală 5 Vvv de la

ieşirea sinusoidală a generatorului de funcţii TM515 şi se cuplează

alimentarea fotodetectorului InGaAs de mare viteză DET 410.

LUCRAREA NR.2 32 _____________________________________________________________________

Se aliniază modulul LED cu fotodetectorul DET 410. Cu butonul

„Frecvenţă” se reglează frecvenţa la valoarea 50 Hz. Pe canalul CH1 al

osciloscopului se vizualizează tensiunea de comandă a LED-ului iar pe

canalul CH2 tensiunea fotodetectată. Se măreşte frecvenţa tensiunii de

comandă a LED-ului urmărindu-se valoarea tensiunii pe CH2. Se măsoară

frecvenţa la care Vout scade cu 3 dB. Aceasta este frecvenţa maximă de

funcţionare a LED-ului. Se trasează caracteristica de frecvenţă.

Se compară valoarea fT măsurată cu cea din foaia de catalog şi se

justifică eventualele diferenţe.

Fig. 2-12. Schema montajului experimental pentru măsurarea fT.

FUNCTION GENERATOR

TEC TM 515

MODUL LED

EXT

TRIHOT/DI

VERTICAL V/DIV

GOS-635

CH2 CH1

FOTODETECTOR InGaAs DE MARE VITEZĂ DET 410

RAMIFICAŢIE “T”

VOUT

Id

V0

a) b)

Vout

0 fT f(Hz)

1 0,70

Fig. 2-13. Evoluţia Vd, (a) şi caracteristica de frecvenţă a LED-ului, (b).

LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 33

2.4 Dioda laser 2.4.1 Determinarea caracteristicilor IDL VDL şi PDL IDL

Se realizează montajul experimental pentru măsurarea

caracteristicilor IDL VDL şi PDL VDL, din Fig. 2-14.

Pentru determinarea caracteristicilor DL se procedează ca la LED,

punctul 2.1.1.

Se completează tabelul cu valorile măsurate şi cu cele rezultate din

calcule.

Tabelul 2-6. -Caracteristicile IDL VDL şi PDL IDL VDL[V] 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 IDL[mA]

Vout[mV] PDL[mW]

Fig. 2-14. Schema montajului experimental IDL VDL şi PDL VDL.

LASER

DUAL POW SUPP

TEC TM 515

DET 410

Rx

DIGITAL VOLTMETER

+ -

HI LO

mA (+)

mV (+)

roşu

ON

LUCRAREA NR.2 34 _____________________________________________________________________

PDL se calculează cu relaţia (2.10).

Se trasează graficele IDL VDL şi PDL IDL şi se determină tensiunea de

prag precum şi curentul de prag. Se compară caracteristicile LED ului cu

cele ale laserului şi se trag concluzii.

2.4.2 Măsurarea divergenţei fasciculului laser

Se plasează ecranul direct în faţa sistemului optic de colimare al

laserului, astfel încât fasciculul să cadă perpendicular pe ecran.

Se dispune ecranul în câteva poziţii la diferite distanţe, începând cu

cea mai apropiată de laser şi terminând cu cea mai îndepărtată – câţiva metri

fata de laser – (cu cât mai departe cu atât mai bine).

Se stabileşte distanţa L, între ecran şi laser conform tabelului 2-7,

(folosind ruleta), se măsoară diametrul D, al fasciculului pe ecran şi se

completează tabelul.

Tabelul 2-7. Divergenta fasciculului laser Distanţa laser-ecran [mm] 500 1000 2000 3000 4000 5000 D fascicul [mm]

Fig. 2-15. Măsurarea divergenţei fasciculului laser.

LASER

ECRAN

FASCICULUL LASER PE

ECRAN

D

d 2

2

L

LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 35

OBSERVAŢII:

Având în vedere că radiaţia incidentă variază cu distanţa după legea

(1/L)2 iar transversal pe raza secţiunii transversale, aceasta scade

exponenţial de la centru spre margine (forma gauss), determinarea cu

precizie a diametrului fasciculului este dificilă.

O măsurătoare mai precisă se obţine prin scăderea diametrului

fasciculului la ieşirea din laser (d), din valoarea măsurată D, notând noua

valoare cu D.

Se determină unghiul de divergenţă folosind relaţiile aproximative.

]radiani[L

dD (2.11)

]grade[L

dD

180

(2.12)

şi se completează tabelul 2-8.

Tabelul 2-8. Divergenta fasciculului laser L [mm] 500 1000 2000 3000 4000 5000 D [mm] D = D-d [radiani] [grade]

Se trasează graficul de variaţie a diametrului fasciculului pe ecran,

D [mm], în funcţie de distanţa L [mm]. Se compară cu datele obţinute la

LED şi se trag concluzii.

2.4.3 Măsurarea distribuţiei spaţiale a fluxului optic emis de DL (cu

diafragma D4)

LUCRAREA NR.2 36 _____________________________________________________________________

Se montează diafragma D5 în capul laser. Se dispune fotodetectorul

DET 410 montat pe poziţionerul X-Y, la o distanţă de aproximativ 3 m faţă

de laser conform Fig. 2-16. Laserul se alimentează în regim modulat, de la

ieşirea OUTPUT AMPLITUDE a secţiunii PULSE GENERATOR a

aparatului TM 515, cu tensiune de forma dată în Fig. 2-16.

Se explorează fasciculul laser pe axele ox şi oy, cu incremente de

0.1mm, deplasând fotodetectorul DET 410 şi se măsoară cu osciloscopul

GOS-635, tensiunea fotodetectată, Vout[mV]. Valorile tensiunii măsurate se

înregistrează în tabelul 2-9 şi se completează acesta cu rezultatele calculate

pentru PDL[mW].

Tabelul 2-9.–Distribuţia transversală a fluxului optic pe axa ox Depl. ox

[mm] -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Vout[mV] PDL[mW]

Fig. 2-16 – Montajul experimental pentru măsurarea distribuţiei spaţiale a fluxului în plan îndepărtat.

LASER

PULSE GENERATOR

TEC TM 515

DET 410

EXT

TRIHO T/DI

VERTICAL V/DIV

GOS-635

CH2 CH1 ms (s)

1ms

V

t 1ms

4,5V

ON

LUCRAREA NR.2 __________________________________________________________ 37

Pentru calculul puterii PDL se foloseşte relaţia (2-10).

Se trasează graficele de evoluţie a puterii pe direcţia axelor x şi

respectiv y şi se comentează.

Să se determine poziţiile (x) ale maximelor franjelor luminoase şi

respectiv ale minimelor cercurilor întunecate şi să se tragă concluzii.

Care din relaţiile de mai jos descrie distribuţia transversala a puterii

în fascicul?

a) xx ePP 0 ; (2.13)

b) 2

0x

x ePP ; (2.14)

c)

22

20 xe

PPx

; (2.15)

d) 201x

PPx ; (2.16)

e) 21

02

xxJPPx . (2.17)

unde P0 este puterea de vârf; J1(x) - funcţia Bessel de speţa întâi ordinul unu.

2.5 Conţinutul referatului scopul lucrării;

valorile măsurate si valorile calculate (Tabelele 3...10);

reprezentarea grafica a caracteristicilor LED si a LD;

distribuţia unghiulara a fluxului optic emis de LED;

variaţia puterii cu distanta in cazul LED-ului;

răspunsul in domeniul frecventa al LED-ului;

calculele privind divergenta si distribuţia spaţială in cazul

laserului;

LUCRAREA NR.2 38 _____________________________________________________________________

diferenţele si asemănările dintre rezultatele obţinute pentru LED

şi DL;

compararea rezultatelor obţinute prin calcul cu cele

experimentale;

interpretarea surselor de erori;

alte concluzii.