Исследование динамики рециркуляции последовательностей импульсов

 

Для исследования динамики рециркуляции импульсов в волокне необходимо провести моделирование импульсов на различных интервалах между ними. В том случае, когда циркулирующие импульсы в последовательности расположены на расстоянии 10τ_и и более (τ_и - длительность импульсов) основным фактором, влияющим на параметры излучения ИЛ, является изменение температуры лазерного кристалла. Температурный эффект состоит в том, что после нагрева лазерного кристалла в течение импульса тока накачки остывание его происходит достаточно медленно и к приходу последующего импульса температура активной области ИЛ не успевает вернуться к первоначальному значению. В результате в процессе рециркуляции наблюдается нарастание температуры, увеличение порогового тока ИЛ, изменение задержки между импульсом тока накачки и импульсом излучения и, соответственно, изменение интервала между циркулирующими импульсами.

На основе тепловой модели ИЛ проведены исследования влияния

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При лазерном дистанционном зондировании оптическая информация поступает на лидар с огромной скоростью. Перед обработкой оптической информации, заключенной в последовательности оптических импульсов, принимаемой при лазерно-локационном зондировании, существует необходимость временного её хранения. В связи с этим была поставлена цель: разработать динамическое запоминающее устройство рециркуляционного типа для хранения аналоговой оптической информации, а также исследование влияния полупроводникового источника излучения в этой системе на информационные параметры в процессе рециркуляционного хранения оптической информации.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1) Разработка схемы динамического рециркуляционного элемента памяти с периодической регенерацией информации с использованием полупроводниковых лазеров. Разработанная схема хранения состоит из следующих элементов. Одномодовое оптоволокно, содержащее вставку с отрицательной дисперсией, демультиплексор, разделяющий информационный поток на несколько сигналов с разными длинами волн, фотоприемник (лавинный фотодиод), преобразующий оптический сигнал в электрический, пороговое устройство, пропускающее только информационный сигнал, блок регенерации, преобразующий сигнал в нужные по длительности, форме и амплитуде импульсные последовательности, модулятор тока, инжекционный лазер, преобразующий электрические сигналы в оптические, и мультиплексор, собирающий несколько потоков на разных длинах волн в один и пропускающий его в оптоволокно на новый цикл циркуляционного хранения. Благодаря вставке волокна с отрицательной дисперсией уменьшается суммарная дисперсия оптических импульсов на 2 порядка. Также в схеме присутствует отражательный элемент, который позволяет уменьшить длину волокна в 2 раза. Использование ЛФД позволяет исключить из схемы широкополосные усилители, тем самым убрать один из источников шумов и повысить отношение сигнал/шум в схеме. Подключение ЭВМ к схеме хранения возможно после блока регенерации.

2) Разработка температурной модели лазерного кристалла при воздействии импульсного тока накачки. При разработке температурной модели использовалось нестационарное уравнение теплопроводности для одномерной многослойной модели инжекционного полупроводникового лазера, описывающее распределение температуры в слоях ИЛ. Результаты показали, что нагрев активной области лазеров зависит от способа его накачки. При поддержке постоянного тока смещения происходит дополнительный значительный нагрев активной области, по сравнению со случаем без тока смещения.

3) Провести исследование влияния температурных и динамических эффектов в полупроводниковом лазере на искажение аналоговой информации в процессе рециркуляционного хранения. При разработке математической модели деформации временных интервалов учитывалось совместное влияние температурных и динамических эффектов в ИЛ. Как показали результаты, влияние температурных эффектов связано с уширением временных интервалов, а динамических – с ужением, поэтому указанные явления носят противоположный характер. По расчетам моделирования было показано, что интервалы размером 10τ_и и более за 5000 циклов циркуляций деформировались на величину не более 1% от первоначального состояния, а максимальное искажение ВИ размером (2–5)τ_сп+τ_и составило 6% (Здесь τ_и – длительность импульсов, τ_сп – спонтанное время жизни неравновесных носителей заряда в лазере). Хранение временных интервалов в отсутствии тока смещения помогло улучшить результаты для более коротких интервалов до 2%.

При анализе сигналов необходимо учитывать искажения информационных интервалов. Время хранения информационного сигнала в системе зависит от максимальной допустимой величины искажения интервалов между импульсами.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Baik S. J., Choi S., Chung U-In, and Moon J. T. Engineering on tunnel barrier and dot surface in Si nanocrystal memories // Solid-State Electron. – 2004. – Vol. 48. – P. 1475–1481.

2. Ландау Л. Д., Лифшиц М. Е. Теоретическая физика: Учеб. пособие для вузов. В 10 т. Т. III. Квантовая механика (нерелятивистская теория). – М.: Наука, 1989.

3. Лифшиц И. М., Гредескул С. Л., Пастур Л. А. Введение в теорию неупорядоченных систем. – М.: Наука, 1982.

4. Büttiker M., Landauer R. Transversal time for tunneling // Phys. Rev. Lett. – 1982. – Vol. 49, No 23. – P. 1739–1742.

5. Пашковский А. Б. Нестационарная теория возмущений для задач о прохождении электронов через квантово-размерные структуры в высоко-частотных полях // ФТП. – 1995. Т. 29, вып. 9. – С.1712–1726.

6. Абдулкадыров Д. В., Белецкий Н.Н. Туннелирование электронов через нестационарный потенциальный барьер // Радиофизика и электроника. – 2008. – Т. 13, № 2. – С. 218–226.

7. Справочник по специальным функциям. С формулами, графиками и математическими таблицами / под ред. М. Абрамовица и И. Стигана. – М.: Наука, 1979. – С. 264–270.

8. Степанов В. В. Курс дифференциальных уравнений. – М.: Эдиториал УРСС, 2004. – С. 245–250.

9. Жевняк О. Г. Туннелирование электронов через потенциальные барьеры треугольной формы // Физико-химические основы формирования и модификации микро- и наноструктур: Материалы шестой Международной научной конференции, ФММН'2012, 10–12 октября, Харьков, Украина. – Харьков, 2012. – С. 147–151.

 

Приложение 1

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%

% Three graphics (Nuclear Physics Calculations)

%

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

close all

clear all

 

%%%%%%%%%%%%%%% Задача 1 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

U1 = 2;

U2 = 1;

points = 30;

E1 = 0: U2/points: 5;

D11 = zeros(1, points);

D12 = zeros(1, points);

 

% 1 способ

for i = 1: 1: points

D11(i) = calc_D3(U1, U2, E1(i));

end

 

% 2 способ

for i = 1: 1: points

D12(i) = calc_D1(U1, E1(i))* calc_D1(U2, E1(i));

end

 

plot(E1(1:points),D11, E1(1:points),D12, '--');

hold on

 

%%%%%%%%%%%%%%% Второе условие %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

U1 = 3;

U2 = 1;

points = 30;

E2 = 0: U2/points: 5;

D21 = zeros(1, points);

D22 = zeros(1, points);

 

% 1 способ

for i = 1: 1: points

D21(i) = calc_D3(U1, U2, E2(i));

end

 

% 2 способ

for i = 1: 1: points

D22(i) = calc_D1(U1, E2(i))* calc_D1(U2, E2(i));

end

 

plot(E2(1:points),D21, E2(1:points), D22, '--');

hold on

 

%%%%%%%%%%%%%%% Третье условие %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

U1 = 2;

U2 = 0.5;

points = 30;

E3 = 0: U2/points: 5

D31 = zeros(1, points);

D32 = zeros(1, points);

 

% 1 способ

for i = 1: 1: points

D31(i) = calc_D3(U1, U2, E3(i));

end

 

% 2 способ

for i = 1: 1: points

D32(i) = calc_D1(U1, E3(i)) * calc_D1(U2, E3(i));

end

 

plot(E3(1:points),D31, E3(1:points), D32, '--');

hold on

title('График 1');

xlabel('E');

ylabel('D');

 

 

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%

% Three graphics (Nuclear Physics Calculations)

%

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

function D = calc_D1(U1,E)

 

%% параметры

m = 0.19 * 9.11 * 10^(-31);

e = 1.6 * 10^(-19);

h_crossed = 1.054 * 10^(-34);

W = 10^(-9);

 

beta = ((2 * m *(U1 - E) * e)/(h_crossed^2)) ^ 0.5;

k = ((2 * m * E * e)/(h_crossed^2)) ^ 0.5;

 

D = (16 * k^4 * beta^4 * (cosh(beta * W))^2 + 4 * k^2 * beta^2 * ((beta^2 - k^2))^2 * (sinh(beta * W))^2)/(((beta^2 - k^2)^2) * (sinh(beta * W)^2) + 4 * k^2 * beta^2 * (cosh(beta * W))^2)^2;

end

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%

% Three graphics (Nuclear Physics Calculations)

%

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

function D = calc_D3(U1,U2,E)

 

%% параметры

m = 0.19 * 9.11 * 10^(-31);

e = 1.6 * 10^(-19);

h_crossed = 1.054 * 10^(-34);

W1 = 10^(-9);

W2 = 10^(-9);

W = W1 + W2;

 

beta = ((2 * m *(U1 - E) * e)/(h_crossed^2)) ^ 0.5;

k = ((2 * m * E * e)/(h_crossed^2)) ^ 0.5;

 

if E < U2

gamma = ((2 * m *(U2 - E) * e)/(h_crossed^2))^0.5;

M = beta * (k^2 - gamma^2) * sinh(gamma * W1) * cosh(beta * (W - W1)) + gamma * (k^2 - beta^2) * cosh(gamma * W1) * sinh(beta * (W - W1));

N = 2 * k * beta * gamma * cosh(gamma * W1) * cosh(beta * (W - W1)) + k *(beta^2 + gamma^2) * sinh(gamma * W1) * sinh(beta * (W - W1));

 

else E > U2

gamma = ((2 * m *(E - U2) * e)/(h_crossed^2)) ^ 0.5;

M = gamma * (k^2 - beta^2) * sinh(beta * (W - W1)) * cos(gamma * W) + beta * (k^2 * gamma^2) * cosh(beta * (W - W1)) * sin(gamma * W1);

N = 2 * k * beta * gamma * cosh(beta * (W - W1)) * cos(gamma * W1) + k * (beta ^ 2 - gamma ^ 2) * sinh(beta * (W - W1)) * sin(gamma * W1);

 

end

 

D = (4 * k^2 * beta^2 * gamma^2)/(M^2 + N^2);

end