Основните енергийни параметри на инсталациите, базирани на възобновяеми енергийни източници, които са от най-голямо значение за потребителя, са: инсталираната мощност на станцията (инсталацията) 7VycT и обемът произведена енергия за година Напр. При обосноваване и проектиране на електроцентрали, използващи възобновяеми енергийни източници, освен посочените, се изискват показатели, определящи режимите на работа на централата, характеристиките на енергоснабдяването, характеристиките на релефа и подлежащия терен и параметрите на въздействието върху околната среда.

Определяне на основните енергийни параметри на водноелектрическите централи.

За работата на водноелектрическа централа са необходими дебит на водата Q и разлика в нивата, т.е. налягане N. Невъзможно е да се използва напълно мощността на водния поток във водноелектрическа централа; тя ще бъде по-малка поради загубите на хидравлична енергия във входните и изходните конструкции, загубите в самите турбини, както и загубите на енергия по време на трансформацията на механичната енергия на въртене на вала в електрическа енергия в генератора.

В глава 2 бяха разгледани три основни схеми за използване на водната енергия: язовир, отклоняване и отклоняване на язовир. Налягането, създадено в тези схеми, равно на разликата между котите на горния VBE и долния басейн UNB, се нарича геометрично или статично налягане Nst.

Енергията, получена от работното колело от водния поток, ще бъде равна на разликата в специфичните енергии на входа на работното колело C-C и на изхода от него K-K. Тази стойност представлява работното налягане на турбината H. Тя е по-малка от брутното налягане с размера на хидравличните загуби във водоснабдителния път c, причинени от действието на съпротивителните сили в потока. Тази стойност изразява средната загуба на специфична механична енергия между участъци B-B и C-C и се състои от загуби от хидравлично триене (по дължината на водоснабдителния тракт) и локални загуби. Следователно работното налягане ще бъде равно на H = H6-hc. Р

Скоростта на водата пред водозабора и в изходната част на долната вода е малка и разликата в кинетичните енергии в тези секции може да бъде пренебрегната за практически изчисления. След това, за практически изчисления, работното или полезно налягане на турбината се изразява по формулата:

Дебитът на водноелектрическа централа или регулиран поток се определя от вида на регулиране на речния поток с помощта на резервоар. Дългосрочното регулиране (годишно, многогодишно) се извършва, за да се изравнят неравномерностите на речния поток през година или няколко години. Краткосрочно (седмично или ежедневно) регулиране се извършва за пререгулиране на равномерния седмичен или дневен воден поток в реката в съответствие с неравномерното потребление на енергия през седмицата или деня от различни потребители.

Определяне на основните енергийни параметри на вятърни електроцентрали.

За вятърните електроцентрали най-важните параметри са: мощността на вятърната турбина, диаметърът на ротора на вятърното колело, коефициентът на използване на мощността, типът и параметрите на генератора и работните характеристики на вятърната турбина.

Важен показател е коефициентът на използване на мощността. Строго погледнато коефициентът на използване (kisp) трябва да отчита и времето на престой на вятърната турбина по технически причини - профилактика, ремонти, които донякъде намаляват стойността на kisp. Въпреки това, ако поддръжката на вятърните турбини се извършва по време на периоди на спокойствие и енергийно затишие, когато скоростта на вятъра и

За да се изчисли мощността на вятърните турбини, са необходими работните характеристики на вятърната турбина и разпределението на скоростта на вятъра на височината на оста на ротора.

За изчисляване на мощността и производството на енергия от вятърна турбина се използват данни от наблюдения за скоростта на вятъра, налични в местните хидрометеорологични центрове за наблюдение. Тези данни могат да бъдат преизчислени и представени под формата на крива на предлагането. Пример е показан на фиг. 3.9.

По формулата, дадена по-горе, се изчислява мощността на вятърния поток и се начертава графика на наличността на неговата мощност. Площта на графиката представлява годишната вятърна енергия.

При определяне на основните енергийни параметри на конкретна вятърна турбина, в допълнение към данните за вятъра за потенциала на вятъра, се изискват работните характеристики на тази вятърна турбина. Общ изглед на характеристиките е показан на фиг. 3.10. От тях се вижда, че различните видове ветрогенератори имат различна мощност, а освен това ветрогенераторите се различават по начална, номинална и максимална скорост на вятъра.

Въз основа на кривата на наличност на вятъра за дадена област и работните характеристики на определена вятърна турбина се изчислява графиката на наличност на мощност на тази вятърна турбина (фиг. 3.11).

Производството на електроенергия от вятърни турбини и следователно тяхната икономическа ефективност се влияе значително от:

Вятърни характеристики на района;

Видът на използваната вятърна турбина и нейният дизайн;

Работни характеристики на вятърната турбина;

Използвано електрическо оборудване за вятърни турбини.

Определяне на параметрите на слънчеви електроцентрали Фотоволтаичните преобразуватели на слънчева енергия са фотоклетки, чието действие се основава на фотоелектричния ефект в полупроводникови структури с p-n преходи, където се осъществява директно преобразуване на слънчевата светлина в електрически ток.

Еквивалентната схема на слънчева батерия като източник на енергия може да бъде представена, както е показано на фиг. 3.12.

В трудовете на Н.С. Лидоренко, Ж.И. Алферова, В.М. Андреева, В.А. Грилихес, М. М. Колтун, В. Д. Румянцев, М. Б. Каган и др., посветени на теорията и експерименталното изследване на свойствата на слънчевите клетки (СК), е показано, че ток-напрежението на слънчевата клетка се различава от CVC на полупроводников диод чрез появата на член 1ph, обозначаващ тока, генериран от елемента под въздействието на осветление, част от който протича през диода, а другата през товара:

Ефективността на слънчевата клетка зависи главно от температурата, която може да достигне високи стойности при използване на системи за фокусиране или при работа в открития космос. В земни условия и при използване на безконцентраторни фотоволтаични панели температурата на елемента се изменя в малък диапазон, което не се отразява съществено на неговата ефективност. Въпреки това, например, в горещ климат (в Африка, Индия и други екваториални страни), температурата може да се различава значително от референтните. В този случай ефективността на слънчевата клетка може да се определи по формулата:

Текущо постигнатите стойности на ефективност на слънчеви клетки от различни видове са показани на фиг. 2.19.

Работата на слънчевите панели в наземни условия се осъществява при променлива плътност на радиация, чийто поток се определя от дневния цикъл, метеорологичните условия и прозрачността на атмосферата. Имайте предвид, че промяната в мощността на батерията се дължи главно на промени в тока на слънчевата батерия. Анализирайки зависимостите на основните параметри на SB от нивото на радиация на фиг. 3.14 може да се установи, че с увеличаване на интензитета на слънчевите лъчи, падащи върху неговата повърхност, токът /„ и мощността P0„nJt нарастват линейно, докато напрежението Uonm се променя в тясна граница на изменение на интензитета. Този закон обаче се запазва само при относително високи стойности на E, в противен случай при ниски E (E

Определяне на параметрите на слънчев термичен колектор. Извършването на топлинно изчисляване на колектора и слънчевата отоплителна система като цяло представлява определени трудности поради необходимостта да се вземе предвид влиянието на случайните колебания в климатичните параметри и сложния характер на взаимодействието между елементите на системата. Поради това обикновено се използват инженерни методи, които позволяват да се получат приемливи характеристики на проектираната система.

Опростен метод за изчисляване на слънчева инсталация за отопление и топла вода за сграда е първо да се определи повърхността на колектора за слънчева енергия SCK

Топлинната мощност (W) на слънчев плосък колектор (SSP) се определя като:

“Енергийни характеристики на електрически централи и блокове

Енергийните характеристики се използват за оценка на режимите в технически и икономически проблеми

Универсална енергийна характеристика

• В тази форма могат да се представят характеристиките на котли, турбини, генератори, трансформатори, двигатели.
• Характеристиката може да се преобразува в друг тип индикатор:
• абсолютен,
• роднина,
• диференциал.

Специфични показатели

• Използват се два вида относителни показатели:
• · специфичен разход на първичен ресурс (доставена мощност) на полезна мощност
• руда = Rsub/Rpol,
• ·специфична консумация на полезна мощност на подадена мощност. Това е ефективност
•  =Рpol/Рpodv.
• · Сред диференциалните широко използваният показател е приращението на подадената мощност към приращението на полезна мощност rdif = ΔРsupp/ ΔРpol.

Тип и връзки на различни характеристики

Консумативни характеристики на електроцентралите в абсолютно изражение

• Основни абсолютни показатели: полезна мощност R, отдадена мощност Rout. Доставената мощност е право пропорционална на потреблението на енергийни ресурси: гориво B, вода Q, пара D, топлина QTES. За водноелектрически централи с постоянно налягане N подаваната мощност е
• N=9.81 HQ,
• Нетна мощност
• N=9,81 HQ ,
• За топлоелектрическите централи доставената мощност, MW, е пропорционална на потреблението на еквивалентно гориво:
• Pptes=8.14B

Характеристики в относително изражение

• Характеристики на ефективност - характеристики на ефективност.
• Специфични характеристики.
• пъпка=B(черва)/P,
• qsp=Q(куб.м/сек)/P
• Имайте предвид, че минималната точка на специфична консумация на енергия съответства на максималната точка на ефективност
• Диференциални характеристики
• Тези характеристики се наричат ​​още характеристики на относителните печалби.
• Това е увеличение на енергийния ресурс на увеличение на мощността

Енергийни характеристики в рубли

• В момента в търговските отношения на пазара и при оптимизирането на работата на станциите в самата система е необходимо да се използват разходите за гориво. Това изисква да се вземат предвид цените на горивата на различните станции. За целта се преизчисляват ординатите на енергийните характеристики. Формата на характеристиките е запазена. Индикаторите за ефективност ще изглеждат така:
• · разходът на природно гориво се преизчислява в разходите за гориво - Iv = cV, rub (c, rub/тон природно гориво),
• · специфичните разходи за гориво се превръщат в специфични разходи за гориво - Vc/P, rub/MWh,
• · относителни увеличения ΔVc/ΔР, rub MW.

Характеристики на ТЕЦ

• Има характеристики на котли, турбини, агрегати, станции
• Електрическа мощност – Рген=Рподв- ΔР котел-ΔР турбо- ΔР ген
• Ефективност – η agr= ηgen ηtur ηбойлер
• Специфичен разход на гориво – budagr=budboilerbudturbbudgen;
• Относително увеличение - bdagr=bboilerbturbbgen

Тип характеристики на блоковете на ТЕЦ

• Котел
• а-консуматив
• c-диференциал
• Турбина
• консуматив,
• диференциал
• Генератор

Характеристики на потока на блока и станцията

Схематична характеристика на топлоелектрическа централа

• Диаграмата на режимите представлява набор от характеристики на потреблението на пара или топлина от турбинен агрегат за различни извличания на пара за производствени и отоплителни нужди.
• Долната крива отговаря на състоянието, когато няма извличане на пара. Това е режим на кондензация. С увеличаване на екстракцията характеристиката на турбината се движи успоредно на себе си.

Изглед на диаграмата на режимите на турбоагрегата с производство и топлофикация на пара

Характеристики на водноелектрическа централа

• Консуматив
• Диференциал
• Диференциал в пълна скала

Характеристиките на хидравличните агрегати обикновено се представят чрез изолинии за постоянни налягания. На характеристиката на потока изолиниите Q (P) са дадени за H = const, на диференциала - изолинията q Естествените характеристики на хидравличните агрегати често имат по-сложна форма

Характеристики на други станции

• Максималната стойност на ефективността на газовата турбина съответства на номиналната мощност и е приблизително 30%. Специфичните разходи за газови турбини значително надвишават средните стойности на показателите на съвременните IES. Ефективността на работа на газотурбинния агрегат се влошава значително, тъй като натоварването му намалява и температурата на външния въздух се повишава. Например за газотурбинен агрегат - 100 - 750 -2 при номинална мощност специфичната консумация е 430 g/kWh, което е 1,25 пъти по-високо от това при IES, а при намаляване на мощността до 30% от номиналната стойност нараства до 720 g/kWh.

Блоковете на АЕЦ с топлинни неутрони могат да регулират натоварването в малки граници. Това обаче рязко намалява тяхната надеждност и в момента те са предназначени предимно за базовата зона на кривата на натоварване.

Методи за получаване на характеристики

• Паспортни характеристики. Посочени от производителя грешките им достигат 10%.
• Природни характеристики. Получени в резултат на специален експеримент в природата. Грешки до 5%
• Характеристики, получени от автоматизирани системи за управление на процеси. Необходимо е непрекъснато измерване на много параметри. Грешките са приблизително 2%.

Характеристики, получени в автоматизираната система за управление на процесите

• Няма надеждни методи за измерване на водния поток за водноелектрически централи.
• За топлоелектрическите централи разходът на гориво се определя косвено от неговите параметри, които могат да бъдат измерени.
• Схема за получаване на характеристики
• - Измервайте непрекъснато 5-7 значими параметъра.
• -Изберете функцията за приближаване.
• - Функционалните параметри се актуализират непрекъснато въз основа на нови измервания.

Пример за конструиране на характеристика на енергийния блок в автоматизирана система за управление на процеси

• От 200 измерени параметъра са избрани 7.
• Информацията се въвежда в компютъра на всеки 15 секунди.
• Данните са осреднени за 15 минути.
• С помощта на известна апроксимираща функция се изчислява разходът на гориво
• Характеристиките се уточняват

Статистически характеристики

• Изградено по счетоводни данни на ТЕП
• За изчисления се използват наличните характеристики на станцията
• Статистическите характеристики отчитат промените в режима във времето

Заключение

• Характеристиките на единиците са най-важната първоначална информация
• В режимните задачи се използват характеристики от различен тип.
• Понастоящем въпросът за получаване на качествени характеристики все още не е напълно решен.
• Най-надеждните характеристики се получават в системата за управление на процесите.
• Необходимо е да се използват паспортни или експериментални характеристики. Грешките им са 5–10%.
• Много работни параметри са придобили свойствата на продукта и цените се влияят от грешки в характеристиките.

11. Измерване на параметри и изследване на характеристиките на източници на лъчение. Методи и средства за измерване в телекомуникационни системи

11. Измерване на параметри и изследване на характеристиките на източници на лъчение

11.1. Параметри и характеристики на източниците на лъчение

Източниците на оптично лъчение принадлежат към основните елементи на оптичните линии. Използването на определени източници на изследване в оптичните влакна се определя от тяхната надеждност, технологична интеграция с други компоненти, микроминиатюризация, прилагане на режим на едномодово генериране в широк диапазон от работни мощности и висока скорост. На тези условия най-добре отговарят полупроводниковите източници на излъчване - светодиоди (LED) и инжекционни лазери (IL). Те представляват основния тип излъчватели във фиброоптичните комуникации. Широката гама от проблеми, решавани във фиброоптиката, и постоянното усъвършенстване на източниците на радиация доведоха до създаването на голям брой разновидности на тези източници, различаващи се по специфичната структура и използваните материали.

Параметрите и характеристиките на източниците на радиация се разделят на пространствено-времеви и енергийни. Тези групи обхващат почти всички параметри и характеристики. Въпреки това, от гледна точка на методите и технологията на измерване, такъв подход към класификацията не е нито технически, нито методологически обоснован. Ето защо, придържайки се изцяло към стандартизираните термини и дефиниции, в по-нататъшното изложение ще комбинираме измерените величини, параметри и характеристики на източниците на радиация в следните групи:

1. Енергийна група. Основната физична величина, която най-често се изследва, е мощността P. Всички други параметри и характеристики от тази група са функционално свързани с мощността, като аргументи в тези функционални зависимости са времето t, дължината на вълната λ, пространствените координати на сечението на лъча x, y; , z (x, y - координати в напречното сечение, z – разстоянието до центъра на сечението от входната повърхност на източника на лъчение). По този начин в рамките на енергийната група могат да се разграничат две подгрупи от параметри, които на свой ред се определят чрез измерената мощност на излъчване:

• временно: енергия Е; импулсна енергия Ei; средна мощност Рср; максимална импулсна мощност Ri max; продължителност t и честота на повторение F на импулсите;
• пространствен: плътност на енергията (мощността) WE(WP); относително разпределение на плътността на енергията (мощността) в напречното сечение на лъча, диаметър на лъча d, дивергенция Өр; енергийна дивергенция ӨER.

2. Спектрална група.Основната физична величина в тази група е спектралната плътност на мощността на източника на излъчване (SPD). Групата включва следните параметри: честота на излъчване ν, дължина на вълната λ, ширина на обвивката на спектъра на излъчване ∆λ.

3. Корелационна група. Основните параметри на тази група са кохерентността и поляризацията на радиацията.

Таблица 11.1 показва основните параметри и характеристики на радиационните източници, които се наблюдават при освобождаването им от производство и по време на експлоатация.

Таблица 11.1. Основни параметри и характеристики на източниците на лъчение.

Параметър	Определение	Обозначаване
Енергийни параметри и характеристики
	Енергия, предавана от лазерен лъч
Мощност	Енергия, предавана от лазерен лъч за единица време
Интензивност	Величина, пропорционална на квадрата на амплитудата на електромагнитно трептене
Спектрална плътност на енергията (мощността).
Средна импулсна мощност
Максимална импулсна мощност
Пространствени и енергийни параметри и характеристики
Насочен модел	Ъглово разпределение на лазерната енергия или мощност
Диаметър на лъча	Диаметърът на напречното сечение на лазерен лъч, в рамките на който преминава дадена част от енергията или мощността на лазерното лъчение
Разминаване	Плосък или плътен ъгъл, характеризиращ ширината на диаграмата на лазерното лъчение в далечното поле при дадено ниво на ъглово разпределение на енергията или мощността на лазерното лъчение, определен по отношение на неговата максимална стойност
Енергийна дивергенция	Плосък или телесен ъгъл, в рамките на който се разпространява дадена част от енергията или мощността на лазерното лъчение
Разпределение на относителната плътност на енергията (мощността).	Разпределение на плътността на енергията (мощността) на лъчение по напречното сечение на лазерен лъч, нормализирано спрямо максималната стойност на плътността на енергията (мощността)
Времеви параметри
Честота на повторение на импулса	Съотношение на броя на лазерните импулси към времето
Продължителност на импулса
Спектрални параметри и характеристики
Дължина на вълната	Средна дължина на вълната на спектъра на лазерното лъчение в обхвата на дължината на вълната на линията на спонтанното излъчване
	Средна честота на спектъра на лазерното лъчение в честотния диапазон на линията на спонтанното излъчване
Ширина на спектралната линия	Разстоянието между точките на контура на спектралната линия на лазерното лъчение, съответстващо на половината от интензитета на линията при максимум
Степен на монохроматичност	Съотношението на ширината на обвивката на спектъра на лазерното лъчение към усреднената по спектър честота или дължина на вълната на лазерното лъчение в даден момент	δν/ν, δλ/λ
Параметри на кохерентност
Степен на пространствено-времева кохерентност	Модулът на комплексната степен на пространствено-времева кохерентност за фиксирани координати на точка в пространството и времето, равен на където: 0≤│γ 12 (τ)│≤1; Г 12 (τ) – функция на взаимна кохерентност; G 11 (0), G 22 (0) – функция на взаимност

съгласуваност; за точки в пространството с радиус вектори r 1 и r 2 съответно при τ=0

│γ 12 (τ)│

Степен на пространствена кохерентност

Модул на комплексната степен на пространствена кохерентност за фиксиран момент във времето, равен на

където: Г 12 (0) постоянна кохерентна функция

Степен на времева съгласуваност

Модулът на комплексната степен на времева кохерентност за фиксирана точка в пространството, равен на

където: Г 11 (τ) – функция на взаимна кохерентност за точка в пространството с радиус вектор r 1

│γ 11 (τ)│

Време за съгласуваност

Минимално забавяне, за което степента на времева кохерентност приема стойност, равна на нула

Дължина на кохерентност

Произведението на кохерентното време и скоростта на електромагнитното излъчване във вакуум

Параметри на поляризация

Плоска поляризация

Равнина, минаваща през посоката на разпространение на линейно поляризирано лазерно лъчение и посоката на неговия електрически вектор

Елиптичност на поляризирано лазерно лъчение

Съотношението на малката полуос на елипсата, по която е поляризирано лазерното лъчение, към нейната голяма полуос

Степен на поляризация

Съотношение на интензитета на поляризираната компонента на лазерното лъчение към неговия общ интензитет

11.2. Измерване на енергийни параметри на източници на лъчение

Енергийните параметри на източниците на лъчение представляват важна група в системата от параметри. В повечето случаи именно те определят осъществимостта и ефективността на използването на източници на радиация в преносни системи за различни цели. За източници на непрекъснато лъчение енергийният параметър, който се нормализира при освобождаване от производство, е мощността P. За източници, работещи в режим на Q-превключване на резонатора и в режим на заключване на режима, те обикновено се характеризират със стойността на W и допълнително с стойността на максималното P и max или средното P и av. импулсна мощност. Импулсно-периодичните източници на излъчване се характеризират със стойността на средната мощност P avg, като времето на осредняване значително надвишава периода на повторение на импулса.

Всички методи за измерване на енергийни параметри се свеждат до преобразуване на радиационната енергия в друг вид енергия, удобен за последващ запис. Широко се използват методи, базирани на преобразуване на оптичната енергия в топлина (термичен метод) и електрическа енергия (фотоелектрични и пироелектрични методи).

Методи за измерване на средната мощност на енергийни източници, както и основна информация за методите, средствата и грешките на измерване са дадени в глава 3 на този учебник.

Понастоящем има два основни метода за измерване на максималната мощност на радиационния импулс от източници на радиация. Първият използва фотопреобразувател, сертифициран за абсолютна чувствителност (или базиран на него SI) и директно определя мощността на падащото върху него лъчение чрез измерване на амплитудата на входния сигнал. Вторият метод ви позволява индиректно да определите мощността на излъчване. В този случай, за единични импулси, общата импулсна енергия и времевите параметри на формата се измерват едновременно (обикновено чрез осцилография). Определяне на максималната мощност на периодичните импулси на излъчване чрез индиректен метод въз основа на измерените стойности на средната мощност на импулсите, техните времеви параметри и честота на повторение.

Ако се използва първият метод, се използва следната схема. Лъчението от източника на излъчване преминава през оптичната система към фотодетектор, чийто изходен сигнал се измерва с импулсен волтметър или осцилоскоп. Оптична система, която включва атенюатор, интегратор и други елементи, необходими за съгласуване на динамичните диапазони и геометричните параметри на използвания фотодетектор и излъченото лъчение. При използването на този метод е необходимо да се знае абсолютната стойност на изходния сигнал на фотоконвертора, неговия коефициент на преобразуване (чувствителност) и затихването на атенюатора. Тогава измерената мощност P(t) се определя по формулата

P(t)=(A/S)U(t-∆),[W], (11.2.1)

където: U(t) – изходно напрежение, V;

S – абсолютна чувствителност на фотопреобразувателя за дадена дължина на вълната на лъчение, V/W;

А е коефициентът на затихване на използваната оптична система, включително атенюатор и други елементи при дадена дължина на вълната;

∆ - забавяне на сигнала във времето.

Косвеният метод за измерване на максималната мощност използва отделно определяне на формата (обикновено чрез осцилография на сигнала от линеен фотопреобразувател с ниска инерция) и енергията на импулса. Ако отклонението на ъгъла на екрана на осцилоскопа е y=αP(t), където α е постоянен коефициент, определен от чувствителността на използвания фотодетектор и осцилоскоп, тогава площта, заета от осцилограмата

, (11.2.2)

където: t – време на интегриране над продължителността на импулса;

E – импулсна енергия

От тук можем да получим израз за зависимостта на мощността от времето

(11.2.3)

Така осцилографията на формата на импулса и измерването на неговата енергия дава възможност да се определи абсолютната стойност на мощността по всяко време, включително максималната стойност. В този случай операцията за определяне на площта, заета от осцилограмата, може да се извърши с помощта на допълнителна интегрираща верига на изходния сигнал на фотодетектора. След това, от едновременно измерените относителни стойности на максималната стойност на сигнала преди и след интегрирането, може да се изчисли максималната мощност.

За импулсна последователност, ако има добра възпроизводимост на времевите параметри на излъчването, максималната мощност може да се определи чрез индиректен метод:

Р max =/τ иf (11.2.4)

където: P ср – средна мощност на радиационните импулси;

τ и – продължителност на импулса на ниво 0,5 от максималната стойност;

f – честота на повторение на импулса;

γ – корекция на фактора на формата, свързана с апроксимацията на реалния импулс с правоъгълен с амплитуда и продължителност, равни на реалния. Продължителността на радиационния импулс и корекцията на фактора на формата се определят с помощта на контролен високоскоростен фотодетектор.

11.3. Измерване на пространствени и енергийни параметри на източници на лъчение

Следните параметри и характеристики на лазерното лъчение могат да бъдат класифицирани като пространствено енергийни.

Диаграмата на излъчване на лазерното лъчение, т.е. ъгловото разпределение на енергията или мощността на лазерното лъчение. Диаграмата на излъчване е най-пълната пространствено-енергийна характеристика на лазерите, но поради променливостта на ъгловото разпределение в близост до излъчващата апертура, тази характеристика обикновено се използва за описание на лазерния лъч в далечната зона на лазерно лъчение. Една от границите на далечната зона се приема за стойност, надвишаваща d 2 /λ, където d е диаметърът на излъчващия отвор, λ е дължината на вълната на лазерното лъчение; другата граница лежи в безкрайност. Когато лазерите бъдат освободени от производство, дивергенцията на лъча обикновено се нормализира. Дивергенцията на лазерното лъчение Ө р, Ө s е равнина или плътен ъгъл, характеризиращ ширината на диаграмата на излъчване в далечната зона при дадено ниво на ъглово разпределение на енергия или мощност, определено по отношение на максималната му стойност. Най-често стойността на нивото се приема равна на 0,5 e -1, e -2 (e е основата на естествения логаритъм). Строго погледнато, горното определение недвусмислено характеризира излъчването само на едномодов лазер. Въпреки това, винаги е възможно да се измери пространственото разпределение на интензитета на лъчение в определени напречни сечения на лазерен лъч, от което могат да се получат количествени характеристики като дивергенция на лъча или диаметър на лъча в дадена секция.

В някои случаи най-удобната характеристика е енергийната дивергенция на лазерното лъчение (Ө w,p; Ө w,s), т.е. равнина или плътен ъгъл, в рамките на който се разпространява дадена част от енергията или мощността на лазерното лъчение.

Лазерният лъч също се характеризира със стойността на диаметъра на лъча, т.е. диаметърът на напречното сечение на лазерния лъч, в рамките на който преминава дадена част от енергията или мощността.

Има няколко начина за визуализиране на изображението на разпределението на интензитета на импулсното лъчение:

• фотографски техники;

• оптоелектронни методи за преобразуване;

• дифракционни методи.

Изброените методи за визуализация на изображения имат общ недостатък - малко пространствено разширение в интензитета и невъзможност за получаване на информация за абсолютното разпределение на интензитета.

Наскоро бяха разработени абсолютни методи за измерване на разпределението на плътността на мощността или енергията на лазерното лъчение. За измерване на плътността на мощността и енергията на излъчване се използват високочувствителни абсолютни измервателни преобразуватели, допълнени с калибрирана изходна диафрагма с малък диаметър. Разпределението на интензитета на радиацията се измерва чрез последователно измерване на плътността в различни фиксирани точки на напречното сечение на лъча.

За да се повиши ефективността на такива измервания, се използват електромеханични сканиращи системи или матрици с необходимите размери, сглобени от измервателни преобразуватели, които осигуряват необходимата разделителна способност по напречното сечение на лъча.

Например, известен е автоматизиран измервателен уред за разпределение на плътността на енергията в напречното сечение на радиационния лъч на импулсни лазери ИРЕ-100. Той съдържа квадратна матрица от сто калориметрични измервателни преобразуватели, всеки от които е снабден с вторичен измервателен преобразувател на интегрални схеми, осигуряващ усилване от 4,5 10 3 и пиково откриване на импулсни сигнали с присъщо ниво на шум от около 1 μV в честотна лента 0,003 - 1 Hz . Кондензаторите за съхранение се запитват от електромеханичен ключ. Като аналогово-цифров преобразувател се използва цифров волтметър. Продължителността на запис на стойностите на символа на всичките сто канала с помощта на цифрово печатащо устройство е около 1 минута.

Най-често се използват следните методи за измерване на радиационната дивергенция:

• метод на сечението;

• метод за регистриране на диаграма на излъчване;

• метод на фокусното петно.

Най-простият е методът на две секции (Фигура 11.1 а). Ако в далечната зона измерим диаметрите на лъчите d 1 d в напречни сечения, отдалечени един от друг на разстояние L, тогава отклонението на лъча може да се определи от съотношението tgӨ=(d 1 -d)/2L. За малка дивергенция и голямо разстояние L тази формула се опростява до формата Ө=d/2L.

Регистрирането на диаграмата на излъчване позволява да се получи най-пълната информация за пространственото разпределение на лазерното лъчение (фиг. 11.1 b). За измерване на диаграмата на излъчване можете да използвате фотодиод или PMT(F), разположен в далечната зона, чийто фотокатод е затворен от диафрагма с отвори с малък диаметър. Чрез преместване на фотодиода по кръгова дъга с радиус R се записва ъгловото разпределение на интензитета на излъчване. Познавайки модела на излъчване, е възможно да се изчисли енергията и ъгловата дивергенция на излъчването.

11.4. Измерване на времето на импулса

Както в радиотехниката, основните параметри, характеризиращи формата на оптичните импулси, са продължителността на импулса, както и времето на нарастване и спадане. Продължителността на импулса е времето, през което моментната мощност на източника на излъчване надвишава стойността, съответстваща на ниво 0,5. Стандартът позволява изграждането на друго ниво на отчитане на продължителността, например на ниво 0,9. В редица случаи на използване на източници на радиация се оказва удобно да се използва концепцията за енергийната продължителност на импулса на оптичното излъчване, което се разбира като продължителността на правоъгълен импулс със същата енергия W или максимална мощност P max като този на измерения пулс.

Продължителността на нарастване и спадане на импулса на източника на лъчение се определя като интервал от време, през който моментната мощност на източника на лъчение се изменя в рамките на нива 0,1÷0,9 от максималната стойност.

В съответствие с горните определения, формата φ(t) на лазерния импулс, определена от връзката, подлежи на измерване

Φ(t)=p(t)/P max (11.11.1)

където: р(t) – моментна стойност на формата на импулса;

Р max – максималната му стойност, изразена в абсолютни единици.

По този начин определянето на формата на оптичния импулс се състои в записване на процеса на промяна на импулсната мощност, изразена в относителни (нормализирани) единици, във времето. На практика в много случаи тази процедура се свежда до експериментално определяне на зависимостта от времето на относителните стойности на импулсната мощност и последващо приближение с подходяща функция.

Например, формата на твърдотелен лазерен импулс е сравнително добре апроксимирана в диапазона на продължителност на наносекунди чрез функция с формата на камбана

φ(t)=0.5(1 – cos ω t) (11.11.2)

а в пикосекундния диапазон – от функцията

φ(t)=(e -αt - e βt)1(t) (11.11.3)

където α и β са експоненти, характеризиращи стръмността на границата и фронта на експоненциалния импулс.

Резултатът от измерването може да бъде представен както в аналогова (аналитична, графична и др.), така и в дискретна (под формата на последователност от образци, кодови групи, таблици и др.) форма, но трябва да осигурява с определена степен на точност , определянето на моментната относителна стойност на сигнала във всеки даден момент. Такава изходна измервателна информация, която напълно характеризира и определя импулсния оптичен процес във времето, е излишна в редица практически случаи (в зависимост от конкретното приложение на конкретен SI). Достатъчно е да представите изходната информация под формата на индивидуални характеристики или параметри.

Подобно на използваните в радиотехниката, оптичните импулси се характеризират със следните основни енергийни и времеви параметри: импулсна енергия E и (J); максимална импулсна мощност P и max (W); средна импулсна мощност P и cp (W); продължителност на импулса τ и (s); продължителност на импулсния фронт τ f (s); продължителност на прекъсване на импулса τ avg (s).

Освен това, за да се характеризират формите на оптичния импулс, могат да се използват допълнителни параметри, също подобни на тези, използвани в радиотехниката, като пикът на плоския връх δ в (%) и затихването на плоския връх δ sp ( %). Връзките амплитуда-време, които определят горните параметри на оптичния импулс, са показани на фигура 11.2.

В измервателната практика определянето на параметрите на оптичния импулс, разгледан по-горе, в повечето случаи включва записване по един или друг начин на формата на измерения импулс. Както е известно, най-универсален по отношение на техническата реализация е методът, основан на преобразуването на измерения оптичен сигнал в електрически сигнал и неговата по-нататъшна обработка с помощта на известни радиотехнически средства. Този метод ви позволява да записвате и измервате или целия набор от стойности на мощността (в относителни или абсолютни единици), или отделни стойности на параметрите на оптичния импулс.

В този случай едно от най-важните условия, определящи точността на измерванията, е изискването за минимално изкривяване на формата на измервания сигнал. Това предполага изискването за използване на PIP в рамките на линейния участък на линейната характеристика на тяхната трансформация, т.е. преобразуватели, работещи в линеен режим, когато условието φ(t)=Kр(t) е изпълнено със зададена степен на точност, където φ(t) е изходният сигнал на преобразувателя; р(t) – входно оптично въздействие; K – постоянен PIP коефициент на преобразуване. Ако това условие не е изпълнено, трябва да се въведе допълнителна корекция при обработката на резултатите от измерването, което значително усложнява този процес.

Цялото разнообразие от инсталации, инструменти, апаратни системи, произвеждани масово или сглобени от отделно налични възли, устройства и др., предназначени да измерват отделни параметри на оптичните импулси или да определят формата им като цяло, е трудно да се класифицира или обобщи поради липсата на единни критерии за преход както към структурата на такива SI, така и към предназначението на включените в тях възли. По-долу е направен опит да се класифицират такива SI, въз основа на разглеждането на последните като SI форми на оптични импулси - източници на най-пълната информация за импулсното лазерно лъчение като физически материал.

Определянето на индивидуалните импулсни параметри може да се разглежда като използване на част от общия обем на измервателната информация, което обикновено води до опростяване на разглежданата обща структура на SI.

Като цяло SI (оптичен измервател на формата на импулса) (OPF) като средство за получаване на информация за измерване може да бъде функционално представен под формата на измервателна система (Фигура 11.3), състояща се от редица устройства, изброени по-долу.

Входно устройствопредназначен да преобразува оптичния сигнал p(t) във форма, удобна за по-нататъшна обработка.

Записващо устройство(RU) е предназначен да записва междинна информация, идваща от входното устройство, и да я възпроизвежда за по-нататъшна обработка. RU може да се разглежда като устройство за съхранение (памет), чието време за запис и възпроизвеждане се определя от принципите на работа и вида както на самия RU, така и на цялата измервателна система като цяло.

Устройство за преобразуванее предназначен да преобразува информацията, записана в RU, когато се чете, във форма, определена от необходимостта и методите за по-нататъшна обработка.

Устройство за обработка и извеждане на информацияе предназначен за обработка и издаване на информация, постъпваща от предишни устройства, в съответствие с конкретното предназначение на измервателната система и за представяне на изходната измервателна информация във вид, удобен за нейното възприемане или използване. При физическа реализация на разглежданата измервателна система функциите на нейните отделни устройства могат да бъдат комбинирани в едно и също устройство или устройство или частично да се изпълняват от оператора.

IFOI в съответствие със структурната диаграма на фиг. 11.3 може да се квалифицира, както следва, като се използва методът на подходящите трансформации.

1. Според метода на преобразуване във входното устройство:

• преобразуване на промяната в мощността във времето p(t) в промяна в мощността (интензитет) в пространството по една от координатите p(x), т.е. преобразуване на оптичен сигнал в оптичен сигнал. Възможни са два вида такова преобразуване: с оптико-механично сканиране (високоскоростни камери) с електронно-оптично сканиране (фотоелектронни записващи устройства - ФЕР и др.).

• преобразуване на промяната в мощността на оптичния сигнал във времето p(t) в електрически сигнал u(t). Такова преобразуване може да се извърши с помощта на фотоелектронни, нискоинерционни термични и други фотодетектори и устройства.

2. По метод на регистрация:

• директното записване на мощността на излъчване върху фотографски филм е типично за системи, които използват трансформацията p(t) в p(x) във входните устройства;

• регистриране на мощността на излъчване p(t) на матрични фотодетектори или предавателни телевизионни тръби;

• осцилографски запис, характерен за системи, които използват преобразуването на p(t) в u(t) във входното устройство.

• стробоскопска регистрация.

3. Според метода на обработка на междинна информация в устройството за преобразуване:

• фотометрия на негатива, характерна за системи с входна трансформация p(t) в p(x);

• Записване на изображение от екран на осцилоскоп (осцилограма) върху фотографски филм;

• мащабно-времево преобразуване с помощта на електронно-лъчеви осцилографски тръби с памет, матрични фотодетектори или предавателни телевизионни тръби;

• аналогово или цифрово преобразуване при използване на стробоскопични записващи устройства.

4. Според метода на обработка и формата на представяне на изходната измервателна информация:

• ръчно или автоматично построяване на диаграма, съответстваща на φ(t), или представяне на негатив на калибрирана осцилограма;

• преобразуване на последователност от стойности φ(t i) в цифров код и записването му в памет (на перфорирана лента, магнетофон, магнитен барабан, регистри на паметта и т.н.), което ви позволява многократно да възпроизвеждате получената информация за измерване;

• ръчно или автоматично компилиране на таблица с последователни стойности φ(t i);

• осигуряване на възможност за визуално наблюдение на сигнала u(t) на екрана на осцилоскопа и измерване на неговите характеристики и параметри с помощта на скали и калибровъчни знаци на екрана или показване на тези параметри на дисплея.

Както бе споменато по-горе, формата на оптичния импулс е високо информативна, което позволява по-нататъшна обработка на изходната информация на IFOI, за да се получат не само параметри, но и характеристики, които цялостно определят целия физически процес. Получаването на такива характеристики е неразривно свързано с математическата обработка на изходната информация на IFOI, което налага определени изисквания към формата на нейното представяне. Измервателните системи с визуална референция или с аналогово документиран изход не позволяват директна математическа обработка на информацията. Възможността за директно свързване с различни изчислителни устройства, както и съвместна работа с други системи като част от съвременните измервателни системи, се предоставя само от IFOI с дискретно представяне на изходната информация за измерване. Такива системи естествено са много по-сложни и скъпи. Подобно усложнение на измервателното оборудване обаче води до опростяване на процедурата за измерване, нейната автоматизация, увеличаване на скоростта на системата и в повечето случаи до повишаване на точността на измерванията.

11.5. Измерване на спектрални характеристики

Измерването на спектралните характеристики е един от основните типове измервания във влакнесто-оптични предавателни системи, включително анализ на оптичния спектър, дължина на вълната и измервания на ширината на спектралните характеристики. Анализът на оптичния спектър е измерването на оптичната мощност като функция на дължината на вълната и, поради развитието на WDM технологиите, се превръща в един от най-важните видове измервания във високоскоростни оптични предавателни системи. Необходимостта от анализ на оптичния спектър също е причинена от хроматична дисперсия, която възниква във влакното и се определя от широкия спектър на източника на излъчване, което се проявява в увеличаване на продължителността на предавания импулс, докато се разпространява по оптичното влакно , което ограничава честотната лента на високоскоростните преносни линии.

Фигура 11.4 показва обобщена диаграма на оптичен спектрален анализатор, според която входният сигнал под формата на изследваното оптично лъчение се подава през оптичната система към фотодетектора и след това, след аналогово-цифрово преобразуване, към система за управление на оптичната система, обработка на данни и извеждане на резултатите от анализа.

Функцията на системите за управление, обработката на данни и показването на резултатите от анализа обикновено се изпълнява от компютър, а алгоритмите за управление и обработка се определят от оптичната система на спектралния анализатор.

11.5.1. Оптични спектрални анализатори на базата на оптичен филтър

Като цяло принципът на работа на оптичните спектрални анализатори, базирани на оптични филтри с регулируема дължина на вълната, е пространственото разделяне на входното лъчение на спектрални компоненти, които след това се преобразуват от фотодиод в електрически ток, пропорционален на мощността на съответната дължина на вълната. Последното се преобразува в аналогово напрежение с помощта на усилвател на напрежение, контролиран от тока, и след това, след аналогово-цифрово преобразуване, в цифрова форма. Цялата последваща обработка на сигнала се извършва цифрово, показвайки стойностите на мощността по вертикалната ос при скорост на сканиране [kn. Иванов].

Оптични спектрални анализатори, базирани на интерферометъра на Фабри-Перо (FPI). Състои се от две плоски огледала, обърнати едно към друго с отразяващи слоеве и монтирани успоредно едно на друго на определено разстояние (Фигура 11.5). Самите плочи са направени леко клиновидни, за да се елиминират вредните ефекти от радиацията, отразена от външните повърхности на плочите.

Когато оптичното лъчение попадне върху него, се появяват много отразени лъчи, които си пречат. На изхода на FPI се формира интерференционна картина с характерни максимуми и минимуми на интензивност. Максимумите на предаване на такава система се определят от израза:

2дн cosр=р л, (11.5.1)

Където д - дължина на FPI; н - показател на пречупване на средата между огледалата (по-нататък приемаме n=1 ); р - ъгъл на падане на радиацията на FPI; р - цяло число (реда на смущението или броя на дължините на вълните на излъчване, които се вписват по дължината на FPI); л - дължина на вълната на лъчение.

Интерференционната схема на FPI, която представлява разпределението на интензитета на радиация в равнината на запис, може да бъде както пространствена, така и времева. В първия случай тази система от интерферентни пръстени с еднакъв наклон (за всеки пръстен р - const). Във втория случай радиацията, регистрирана от фотодетектора, се предава от IFP, когато дължината му се променя във времето (Фигура 11.6).

По време на фотоелектрична регистрация лазерното лъчение се колимира преди да влезе в FPI ( р клони към нула), така че на изхода се наблюдава само така нареченият "нулев" ред на смущения (централно петно). Не се наблюдават интерферентни пръстени с високи серийни номера (1,2,3...).

Разпределението на интензитета на предаваното монохроматично лъчение (хардуерна функция на интерферометъра) се определя от формулата на Airy:

, (11.5.2)

Където аз 0 - интензитет на падащото лъчение; T - коефициент на огледално отражение; д =4 стр д/ л - фазова разлика между съседни интерфериращи лъчи. Полуширината на хардуерната функция, която характеризира разделителната способност на FPI,

. (11.5.3)

Една от най-важните характеристики на FPI е областта на дисперсия или интервалът на дължината на вълната, съответстващ на разстоянието между съседни максимуми на предаване,

. (11.5.4)

Областта на дисперсия характеризира максималната ширина на лазерния спектър, която може да бъде анализирана без изкривяване, причинено от припокриващи се редове на смущения. За ниски ъгли на падане

. (11.5.5)

Разделителна способност на интерферометъра.

. (11.5.6)

Да приемем, че излъчването се състои само от две монохроматични компоненти. Ще приемем, че разликата в техните дължини на вълните постепенно се увеличава и ако те не се различават много по интензитет, тогава присъствието на тези два компонента във веригата в крайна сметка ще бъде забелязано, тъй като ще се появят две системи от максимуми, изместени един спрямо друг моделът на смущение. в този случай се казва, че компонентите са разрешени от интерферометъра.

Когато се използва интерферометър на Фабри–Перо, измерената дължина на вълната е

(11.5.7)

където l e – референтна дължина на вълната;

m x и m e – цели числа на редовете на смущения, определени чрез изчисление;

E e и E x – дробни числа на интерферентните порядъци, получени от дешифриране на интерферентни модели;

n e и n x са показателите на пречупване на средата в интерферометъра, различни за еталонната и измерената дължина на вълната.

Редът на намесата се разбира като брой

(11.5.7)

където n B е индексът на пречупване на въздуха между плочите;

D – разстояние между отразени повърхности;

q - ъгъл на отражение;

j - фазово изместване.

За всяка линия дробните части на интерферентните порядки се намират чрез измерване на диаметрите на пръстени с номера p и q, Dр и Dq по формулата:

(11.5.8)

За да се получат данни за абсолютната стойност на честотата на източник на излъчване, обикновено се използва дължината на вълната на излъчване λ и се използва връзката:

Където с– скорост на светлината, определя честотата на излъчване n.

Директните честотни измервания изискват преброяване на периодите на електромагнитни трептения за даден период от време. Съвременните електронни честотомери ви позволяват да измервате честоти до 5 × 10 8 Hz, като използвате калибриране от еталонен кварцов осцилатор. За измерване на по-високи честоти е необходима техника на хетеродиниране, базирана на смесване на честотите на два осцилатора, единият от които е известен, и измерване на честотата, генерирана чрез смесване на разликата в честотите.

Основната основа за измерване на честотата на лазерното лъчение е следното уравнение:

н х= дневник ъъъ± н b, (11.5.10)

където n х– неизвестна честота; н ъъъ– референтна честота;

н b– измерена честота на сигнала за биене;

l – цели числа, хармонични числа.

От съотношението (11.5.10) става ясно, че за измерване на честота n хТрябва да бъдат изпълнени поне две условия: честотата на референтния осцилатор трябва да е достатъчно стабилна; необходими са устройства, които дават възможност за точно възпроизвеждане на стойността на l, т.е. за извършване на процеса на умножаване на честотата. В този случай хармоничното число l обикновено се определя чрез намиране на приблизителната честота от измервания на дължината на вълната.

Общата схема на честотен синтез може да бъде изразена чрез отношението:

n c = mn 1 ± nn 2 ± ln n ± f, (11.5.11)

където n c е синтезираната честота, n 1 и n 2 са неизвестните честоти на генераторите с по-ниска честота; f – диференциална честота; m, n, l – цели числа.

Спектрални анализатори, базирани на дифракционна решетка .

Най-често използваните оптични спектрални анализатори (OSA) във фиброоптиката използват дифракционни решетки като регулируем оптичен филтър.

Съвкупността от елементи на оптичната система (входен отвор, дифракционна решетка, изходен отвор) в този случай служи за разделяне на входното оптично лъчение на различни спектрални компоненти и се нарича монохроматор; монохроматор с фотодиод, който служи за последващо записване на спектъра, се нарича спектрометър. Като се има предвид функционалното натоварване на монохроматора, той може да се разглежда като регулируем оптичен филтър, представляващ оптичната система OSA.

В монохроматора дифракционна решетка (огледало с равномерно разположени гофрирани линии на повърхността) извежда дифрактирана светлина под ъгъл, определен от нейната дължина на вълната, подобно на дъгата, която видимата светлина произвежда, когато преминава през призма. При инфрачервеното лъчение, използвано в телекомуникациите, използването на призми е неефективно, тъй като дисперсията или промяната в индекса на пречупване на стъклото с дължина на вълната в диапазона от 1-2 μm дължина на вълната е много малка. Затова OSA използва дифракционни решетки, които осигуряват по-добро разделяне на светлината по дължина на вълната или, което е същото, по-добра разделителна способност.

Дифракционната решетка се състои от последователно разположени успоредни прорези (в случай на предавателна решетка) или огледало (в случай на приемна решетка) на равни интервали, интервалите между които се определят от работните дължини на вълната поради факта, че нейната линиите влияят на отразените лъчи само когато лъч светлина с определена дължина на вълната преминава през отвор със съответната неравномерност. Следователно ъгълът на решетката зависи от дължината на вълната, на която е настроен OSA, а входните и изходните отвори, както и размерът на лъча върху дифракционната решетка, определят спектралната ширина на оптичния филтър, чийто изходен сигнал се подава към фотодиода и след това към електронната схема за обработка на резултатите от измерването.

Както беше отбелязано по-горе, дифракционната решетка отразява под ъгъл, пропорционален на дължината на вълната, което позволява на OSA да бъде настроен към определена входна дължина на вълната чрез промяна на ъгъла, под който светлината попада върху повърхността на решетката.

Когато светлината удари отразяващите линии на решетката, всяко прекъсване пречупва светлината под ъгъл, съответстващ на определена дължина на вълната, създавайки пречупени вълни с ниска амплитуда, които не са синхронизирани една с друга, което допринася за паралелния фронт на генерираната вълна. В този случай ефективността на пречупения лъч по отношение на мощността, достигаща до повърхността му, се определя от профила на всяка решетъчна линия.

Уравнението, отразяващо работата на дифракционната решетка в общия случай има формата:

където l е дължината на вълната на светлината във въздуха за повечето OSA; д- разстоянието между линиите на решетката, съответно a и b, ъгълът на входното и изходното лъчение; м- цяло число, което определя реда на спектралния компонент.

OSA често използва специална ориентация на дифракционната решетка, която се определя от условието на Leathrow. В този случай излъчването на измерената дължина на вълната се отразява от дифракционната решетка в посока, обратна на падащия лъч, а уравнението на решетката има формата:

(11.5.13)

В резултат на пречупване се образува плоска вълна под един ъгъл, поради което има интерференция между лъчите на съседни жлебове на решетката, а дивергенцията на лъчите се наблюдава в малък диапазон от ъгли с максимална стойност, равна на:

(11.5.14)

където Db min е ъгълът на отклонение на пречупения лъч монохроматична светлина, а N е броят на осветените линии на решетката.

Последният израз отразява основното ограничение на честотната лента на филтър, базиран на решетка, и следователно определя разделителната способност на OSA, която е ограничена от съотношението на диаметъра на осветената решетъчна област към дължината на вълната на оптичното излъчване

и се измерва в радиани/m.

Очевидно дисперсията на дифракционната решетка се променя с дължината на вълната, което също води до намаляване на разделителната способност на монохроматора, така че някои OSA имат специални устройства, които коригират влиянието на този ефект.

11.5.2. Автокорелационни оптични спектрални анализатори

Принципът на работа на автокорелационните оптични спектрални анализатори се основава на преобразуването на Фурие на автокорелационната функция на входния оптичен сигнал. Те са изградени на базата на интерферометър на Майкелсон, който включва два оптични канала с фиксирана и променлива дължина, които в общия случай са изпълнени на светлоразделител и две огледала, едното от които е неподвижно, а другото може да се движи по дължината светлинен лъч (Фигура 11.6). Когато светлинните лъчи преминават през тези канали, на изхода на интерферометъра се формира сигнал, който възниква в резултат на взаимодействието на част от входния сигнал с друга част от същия сигнал, забавен за известно време. В тази връзка полученият сигнал е функция на автокорелация на входното излъчване и се нарича интерферограма, която впоследствие се подлага на преобразуване на Фурие за определяне на спектъра на мощността на входния сигнал.

Благодарение на този дизайн, спектралните анализатори, базирани на интерферометри на Майкелсън, за разлика от други интерферометри, позволяват директни измервания на кохерентната дължина на вълната. Например, ако периодът на получената интерферограма е точно измерен и след това сравнен с референтна дължина на вълната, дължината на вълната на неизвестния сигнал може да бъде определена с висока точност. Възможността за точно измерване на дължината на вълната отличава това устройство от други устройства за подобни цели.

При прилагането на този принцип в общия случай лазерното лъчение се колимира и след това се разделя на два лъча с помощта на полупрозрачно огледало, които се насочват с помощта на огледала така, че да изминат различни разстояния, след което отново се комбинират и подават към фотодетектор. За да се отразят лъчите обратно към полупрозрачното огледало, обикновено се използват плоски огледала върху лицата на куба (Фигура 11.7), което елиминира отразяването на сигнала обратно към лазерния диод. Поради разликата в пътя, изминат от лъчите, електрическите полета, действащи върху фотодиода, ще бъдат изместени за известно време t.

В допълнение към измерването на дължината на кохерентност и дисперсията в многомодово оптично влакно, интерферометърът на Майкелсън позволява също измерване на спектралната плътност на мощността на излъчването. За тази цел, както беше отбелязано по-горе, интерферограмата се подлага на трансформация на Фурие.

Тъй като те не използват регулируем лентов филтър за идентифициране на дължината на вълната, такива анализатори не могат да се използват в приложения, където е необходимо филтриране на входния сигнал. В допълнение, поради ударния шум, който винаги присъства в оптичния приемник при големи входни сигнали, този тип анализатор има по-нисък динамичен диапазон в сравнение с решетъчния OSA.

Като цяло, този тип измерване е комбинация от измервания на електрически и оптични сигнали, следователно, без да се спираме на електрическите измервания, подробно прегледани в литературата, този раздел ще разгледа характеристиките на измерването на оптичните характеристики, което означава, че стандартните процедури и инструменти са използвани за измерване на параметрите на електрически сигнали.

А. Измерване на модулационните характеристики на полупроводников лазер.Както е известно, честотната характеристика на лазерната модулация зависи от стойността на постоянния ток на отклонение, увеличаването на което обикновено води до увеличаване на честотната лента, което е свързано с промяна в характеристиките на релаксационните трептения, които определят естествения дълбочина на лазерна честотна модулация. Наличието на релаксационни трептения от своя страна създава допълнителна модулация на интензитета на лазерното лъчение. Следователно измерването на модулационния отговор на лазерите, използвани в телекомуникациите, е много важна задача. За да се извършат измервателни данни с висока точност, първо (Фигура 11.8) е необходимо да се извърши предварително калибриране, като по този начин се елиминира влиянието на модулацията в измервателната система, задаване на началната и крайната честота на диапазона, броя на точките на измерване, време на измерване и ниво на мощност на източника [кн. Иванов].

По време на процеса на калибриране се определят честотните и фазовите характеристики на модулацията на измервателната верига, за да се използва впоследствие тази информация във връзка с данните за вътрешно калибриране на анализатора. Параметрите на източника и приемника на светлинната вълна се задават предварително по време на фабричната калибровка и се въвеждат в паметта на анализатора. След като калибрирането приключи, тестваният лазер се превключва между интерфейсите на електрическите и оптичните измервателни вериги, заменяйки калибрирания източник на светлинна вълна. В този случай чрез промяна на отклонението на лазера може да се направи серия от измервания, за да се определи оптималната стойност, при която се постига максимална дълбочина на честотна модулация.

б. Измерване на модулационния отговор на външен модулатор. Модулационната характеристика на външен модулатор обикновено зависи от напрежението на отклонение и се определя от следните четири параметъра:

• вмъкнати загуби, които са равни на загубите в максималната точка на предавателната функция;

• разликата между минималните и максималните нива на модулиращия сигнал;

• съотношението на максималните и минималните нива на оптичния сигнал;

• номиналното напрежение на отклонение, при което положителните и отрицателните полувълни на оптичния сигнал са равни.

При тези условия може да се приеме, че модулационната характеристика при малки отклонения от номиналната работна точка на модулатора се променя линейно. Тогава за синусоидален сигнал с честота w, изразена в радиани, интензитетът на излъчване I (t) ще се определя от известния израз.

(11.6.1)

където I 0 – максимален интензитет на светлината;

E(w) – честотно зависима ефективност на модулация;

V p е разликата между минималните и максималните нива на модулиращия сигнал.

В този случай работната точка на модулационната характеристика, естествено, може да се регулира чрез промяна на напрежението на отклонение V V.

Модулационният отговор на външни модулатори на оптичен интензитет може да се определи с помощта на компонентен анализатор на светлинна вълна по същия начин. Същото като при използване на лазерни източници. Това е друг клас електронно-фотонни измервания, където източникът е генератор на електрически сигнали с честота на сканиране, а измерването на модулационната честотна лента на външни модулатори на интензитета на оптичното излъчване се извършва с помощта на анализатор на компонентите на светлинната вълна според измерването на лазерната модулация схема, обсъдена по-горе. Въпреки това, има значителна разлика между тези измервания поради факта, че модулаторът е устройство с три порта, в което ефективността на преобразуване зависи от нивото на входната оптична мощност, тоест ефективността на преобразуване на модулатора е функция на нивата на електрическите и оптичните входни сигнали.

За да се определи коефициентът на преобразуване на модулатора във W/A, анализаторът на компонентите на светлинната вълна трябва да установи модулираната мощност като функция на входния модулационен ток и тъй като с увеличаване на входната оптична мощност, изходната модулирана оптична мощност също се увеличава, светлинната вълна анализаторът ще измери видимото увеличение на чувствителността. Това означава, че измерването на чувствителността на модулатора е валидно само за конкретна оптична входна мощност, която е съществувала по време на измерването, докато честотната характеристика на модулатора на модулатора обикновено е валидна за широк диапазон от оптични входни мощности.

11.7. Оптично измерване на шума

Един от основните типове шум, често срещан при оптични измервания, е шумът от оптичното излъчване, който съществува в оптичния сигнал, преди да бъде открит. За количествена оценка, заедно с такъв показател като съотношението сигнал / шум (SNR), често се използва концепцията за относителна интензивност на шума (RIN), която се определя като [Иванов]

(11.7.1)

където (DP 0) 2 е средноквадратичната стойност на отклонението на интензитета на спектралната плътност на оптичния сигнал, а P 0 е средната оптична мощност. От този израз следва, че на практика е необходимо да се минимизира стойността на RIN, която може да се използва за определяне на максимално постижим SNR в система за предаване на светлинни вълни, където основният източник на шум е интензитетът на лазерния шум. Следният израз показва теоретичната връзка между сигнал-шум и стойностите на RIN [Иванов]

(11.7.2)

където m е дълбочината на оптичната модулация;

B – шумова честотна лента.

Анализът на горните уравнения показва, че в достатъчно голям работен диапазон RIN на полупроводников лазер намалява с увеличаване на мощността на лазера и традиционно се измерва с помощта на анализатор на електрически сигнал, свързан към фотодиод чрез усилвател. Резултатът от измерването на спектралния анализатор в този случай е еквивалентен на усиления електрически индикатор (DP 0) 2 в израза, определящ RIN. В този случай трябва едновременно да се следи нивото на постоянния фототок, произведението на квадрата на който с 50 ома и усилването на усилвателя дава електрическия еквивалент (P 0) 2. Това предполага, че входният импеданс на усилвателя и спектралния анализатор е 50 ома. Този метод позволява както да се измери средната мощност на оптичния сигнал, така и да се открие отклонението в интензитета на шума. В допълнение, анализаторът на оптичния спектър може да измерва нивата на открит шум от изстрел и топлинен шум и да компенсира техните ефекти, така че да може да измерва RIN под границата на шум от изстрел. Изваждането на топлинния и ударния шум от RIN води до увеличаване на обхвата на измерване от обикновено приблизително 16 dB.

Друг начин да се опише и сравни оптичният шум е да се изрази като съотношение на мощността на шума в честотна лента от 1 Hz, нормализирана към постоянна мощност на сигнала. Това описание е полезно, защото тази стойност става независима от всякакво затихване или абсолютна мощност, достигаща до фотодиода. Тази частична шумова мощност в честотна лента се нарича относителен оптичен шум и се дефинира, както следва:

(11.7.3)

Където< D i 2 >- осреднена по време мощност на шума на оптичното излъчване в честотната лента 1 Hz;

I 0 – среден интензитет на излъчване.

Тъй като RIN' е нормализиран параметър, този израз също е валиден, ако параметрите D i и I 0 се отнасят до интензитета на оптичното излъчване на открития фототок или дори към входното напрежение на приемника. На практика RIN' може да се определи с помощта на електрически спектрален анализатор, който измерва осреднената за времето мощност на шума на фототока< D i 2 >и амперметър, който следи средната стойност на постоянния ток на фотодиода I 0 . Влиянието, което се оказва топлинен и частичен шум, трябва да се извади от измерената мощност на шума, за да се получи по-точна стойност на действителния оптичен шум на входния оптичен сигнал.

Процедурата за измерване на интензитета на шума обикновено включва настройка на анализатора на сигнала на светлинните вълни чрез задаване на началната и крайната честота на обхвата на измерване, разделителната способност на честотната лента, честотната лента на видеото, референтното ниво и маркера за шум. Тук трябва да се отбележи, че за да се наблюдава пълният спектър на лазерния шум, е необходимо да се настрои честотният диапазон на измерване възможно най-широк, докато разделителната способност трябва да се регулира на стойност приблизително една стотна от интервала, за да има достатъчно висока скорост на сканиране по време на процеса на измерване. Видеочестотната лента, която изпълнява същата функция като осредняването на спектрограмата, се настройва на достатъчно ниска стойност, за да се поддържа разумно време за сканиране.

Отраженията от съединители или снаждания могат да окажат значително влияние върху нивата на лазерния шум. Очевидно е, че с увеличаване на нивото на шума, причинено от обратни отражения, ще се наблюдават съответните промени в спектъра на излъчване. Следователно, чрез използване на маркери за разделяне на честотите между пиковете на шума Df, разстоянието D между отраженията може да се определи с помощта на следния израз:

където c е скоростта на светлината във вакуум, 3 × 10 8 m/s;

n е индексът на пречупване на стъклото, равен на » 1,5.

По този начин обемен оптичен резонатор, образуван между отразяващия конектор и лазерното задно огледало, може да усили шума на лазерния диод. Интерференцията между директно предаваната вълна и отразената вълна в лазерната кухина измества лазерното усилване, създавайки синусоидална вариация в спектъра на шума, която зависи от дължината на резонансния канал. В този случай отразената мощност нарушава динамичното равновесие на процеса на генериране и обикновено увеличава амплитудата на интензитета на шума, особено при честотата на релаксационните трептения. Това може също така да доведе до осцилиране на шумовия спектър с честота, обратно пропорционална на общото време на преминаване на светлинния лъч от лазера до отражението. За да се избегне това увеличаване на шума, често се използват изолатори. В резултат на експериментални изследвания беше показано, че за да се елиминира този ефект, изолацията трябва да бъде от 30 до 60 dB или повече.

Планирайте

Лекция 13

1. Свойства на алуминиевите фолиа

2. Методи за получаване на метални филми

3. Създаване на омични контакти към ИС

Следните изисквания се прилагат за системите за метализиране на IC:

Висока проводимост (r< 10 –6 Ом×см);

Добра адхезия както към Si, така и към SiO 2;

Възможност за формиране на висококачествен омичен контакт с n- и p-тип силиций;

Липсата на вредни интерметални съединения или реакции, които разрушават силиция по време на обработката и работата на системата;

Технологичност на методите за отлагане и моделиране;

Устойчивост на електродифузия в метал;

Металургична съвместимост със сплави, които се използват за свързване на външни проводници към метализирана верига.

Най-удобният, лесен за производство и най-евтин материал за метализиране на ИС е алуминият, който обикновено се нанася чрез изпаряване във вакуум.

Свойства на алуминиевите фолиа

Специфичните свойства на алуминиевите филми зависят от редица условия, като чистота на изпарения материал, налягане във вакуумната система, скорост на отлагане, температура на субстрата и др. Филмите, отложени върху повърхността на аморфен SiO 2 на термично окислени силициеви пластини, са поликристални с известна тенденция към определена ориентация кристалити. След нанасяне филмите имат огледално гладка повърхност.

Съпротивлението на отложен алуминиев филм с дебелина 1 µm е около 3×10 –6 Ohm×cm, т.е. само 10 - 20% по-голямо от обемното съпротивление на чистия алуминий. Широкото използване на алуминиеви филми за метализация в интегрални схеми се дължи на: висока електропроводимост, близка до електропроводимостта на насипния алуминий; лекота на изпаряване във вакуум и чистота на изпарения филм.

Алуминият има относително ниска температура на изпарение и следователно вероятността от замърсяване на разпръснатия филм от примеси от вакуумната камера и изпарителя трябва да бъде малка в сравнение с металите, които имат по-висока температура на изпарение.

Добрата адхезия към силиций и оксиди прави възможно производството на еднослойна метализация, което значително опростява производствената технология и намалява цената на IC. Алуминиевите филми не се отлепват поради лоша адхезия като злато или молибден. Алуминият образува контакт с ниско съпротивление с n- и p-тип силиций. Контактните площадки на силиконова пластина винаги са покрити със слой от естествен оксид SiO 2. Алуминият реагира със SiO 2, тъй като може да образува оксиди с висока отрицателна свободна енергия.
В резултат на това се създава контакт с ниско съпротивление между силиций и алуминий. Скоростите на тази реакция и дифузията на силиция в алуминия са много високи, така че за да се получи контакт с ниско съпротивление е достатъчно пробата да се нагрее при температура от 550 °C само за няколко минути.

Алуминият е пластичен и устойчив на циклични температурни промени. Ниската температура на субстрата по време на отлагане (120 - 160 ° C) и отгряване (~ 200 ° C) прави възможно получаването на филми с ниски механични напрежения поради малката разлика в TCR, когато температурата намалява до стайна температура. Алуминият е устойчив на окислителните ефекти на атмосферата и лесно се обработва чрез фотолитографски методи, за да се получи необходимата конфигурация на контакти и връзки в интегрални схеми и в ецващи вещества, които не засягат силиций или SiO 2.

Алуминият образува здрави контакти, когато златна или алуминиева тел е прикрепена към неговия филм с помощта на методи за термична компресия. Може да се използва в радиационно устойчиви вериги.

Въпреки това, заедно с положителните си свойства, алуминият има редица недостатъци, които ограничават използването му за метализация. Те включват:

Мекотата и следователно лекотата на повреда на алуминиевото фолио;

Появата на кухини във филма поради електродифузия при по-ниски плътности на тока, отколкото при други метали;

Възможността за късо съединение през диелектричен филм в системи с няколко нива на метализация поради образуването на издатини по време на електродифузия или нискотемпературна рекристализация на филми;

Появата на корозия поради галваничния ефект при едновременното използване на други метали;

Взаимодействие със SiO 2 при ниски температури (от стайна температура и по-горе), което може да доведе до нестабилност, особено в интегралните схеми MIS;

Способността да се образуват крехки връзки със злато, което може да намали електрическата проводимост и да доведе до повреди в случай на термокомпресионно закрепване на проводници.

Защитата на алуминиевото фолио от механични повреди практически се осъществява чрез нанасяне на диелектричен слой върху метала. Това покритие едновременно служи за защита на близко разположени тоководещи ленти от корозия, електролитна или химическа, и от късо съединение на проводимите ленти от всякакви чужди частици.

При ецване на прозорци в диелектрик (обикновено SiO 2), скоростта на ецване на диелектрика трябва да бъде значително по-голяма от скоростта на ецване на алуминий, в противен случай алуминиевият филм може да се повреди поради съществуването на локални положителни потенциали в IC. За системи, съдържащи златни слоеве, този проблем не възниква. В случай на свързване на златни проводници към алуминиев филм чрез термокомпресионно заваряване е възможно образуването на интерметални съединения, което води до намаляване на надеждността на оборудването. Въпреки това, при относително ниски температури и умерени натоварвания, този метод на свързване се оказва доста надежден. Проблемът с образуването на интерметални съединения на границата злато-алуминий е напълно решен чрез използването на ултразвуково заваряване на златни проводници с алуминиев филм. За да се елиминира взаимодействието на златната жица с алуминия, като същевременно се запазят предимствата на контакта алуминий-силиций, допълнителен метален филм, като молибден или тантал, често се отлага между златото и алуминия.

Електродифузия в алуминиеви филми

Електродифузияе явление на пренос на вещество в метали при висока плътност на тока. В алуминиеви филми, използвани за метализиране на интегрални схеми, електродифузията води до разкъсване на алуминиевия проводник поради образуването на кухини (пори) поради натрупването на празни места в алуминия.

В твърд метален проводник две сили действат върху термично възбуден метален йон в място на решетката: едната е насочена към електронния поток, когато към проводника е приложено електрическо поле, другата действа в посоката на електронния поток и изглежда поради към обмена на импулси между проводящи електрони и възбудени метални йони по време на сблъсък („електронен вятър“).

Поради екраниращия ефект на електроните, силата, с която електрическото поле действа върху йона, е много малка, така че силата на „електронния вятър“ е преобладаваща. В резултат на това възбудените метални йони, пристигащи на празно място в посоката на електронния поток, имат по-голяма вероятност да запълнят празното място, отколкото близките йони около него. Следователно металните йони се придвижват към положително заредения край на проводника, а свободните места се преместват към отрицателния край. Свободните места се натрупват на отрицателния полюс (коагулират) като кухини, докато йоните на положителните краища образуват кристали, мустачки и могили. Голям брой кухини води до прекъсване на електрическата верига в алуминиевите филми. Повърхностните драскотини върху металните проводници се държат като празни места и тяхното движение по повърхността на проводника се наблюдава в посока на отрицателно заредения край. Следователно скоростта на пренос на вещество зависи от структурата на алуминиевите филми.

При финозърнестите алуминиеви филми, получени чрез отлагане във вакуум върху студени субстрати, преобладават дифузията по границите на зърната и повърхностната дифузия. В резултат на това енергията на активиране в такива филми е ниска и възлиза на 0,48 eV (енергията на активиране за самодифузия в насипния алуминий е 1,4 eV). В добре подредени едрозърнести филми, отложени върху горещи субстрати, енергията на активиране се определя главно от повърхностна дифузия и е 0,84 eV. Това се дължи на намаляване на границите на зърната и съответно на висок коефициент на самодифузия. Ако едрозърнест филм е покрит със слой от кварцово стъкло, тогава повърхностната дифузия намалява и енергията на активиране се увеличава до 1,2 eV, т.е. се доближава до стойността за насипен алуминий. При температури от 275 ° C и по-високи обемната дифузия преобладава над дифузията по границите на зърната и повърхностната дифузия, така че влиянието на структурата е незначително. Въпреки това, при температури под 275 °C, издръжливостта на IC може да се увеличи с няколко порядъка чрез използване на добре подредени, едрозърнести филми, особено ако са покрити със стъклен филм.

Методи за производство на метални филми

Общите изисквания към тънките проводими филми са равномерна дебелина на филма, еднородност на неговата структура, надеждна адхезия към субстрата и другите материали, с които е в контакт.

Основните методи за отлагане на тънки слоеве са: вакуумно изпаряване (разпрашване) с индиректно нагряване; йонно-плазмено разпрашване; отлагане на пари с помощта на реакции на транспортиране на газ; редукция във водородна атмосфера и термохимично разлагане. Изборът на един или друг метод зависи от естеството на отложения материал, материала на субстрата, структурата (аморфна, поликристална, монокристална) и дебелината на филма.

Най-разпространеният метод е вакуумно изпаряване. Това дава възможност да се получат филми, които отговарят на много изисквания. Предимствата на този метод: задоволителна възпроизводимост на свойствата на филма поради високата чистота по време на отлагането; добра адхезия към основата, особено при нагряване на основата; способността да се контролира дебелината на филма с точност до няколко мономолекулни слоя по време на процеса на отлагане. Този метод ви позволява да прилагате филми за различни цели в една инсталация, в един технологичен цикъл. Недостатъците на вакуумния метод включват проблема с отстраняването на топлината, необходимостта от охлаждане на оборудването и трудността при почистване на субстратите преди отлагане, за да се осигури добра адхезия на филмите към тях.

Филми от огнеупорни метали (Ta, W, Mo и др.) Могат да се отлагат чрез йонно-плазмено (катодно) разпрашване. В активна газова атмосфера (O 2 , N 2 и т.н.) диелектрични филми (метални оксиди, нитриди) също могат да бъдат произведени чрез разпрашаване на съответния метал, но в този случай е трудно да се предотврати абсорбцията на остатъчни газове от филм по време на образуването му поради относително високото газово налягане (10 –2 - 10 –1 mm Hg).

Отлагането на пари прави възможно получаването на висококачествени филми, но този метод изисква наличието на силни агресивни среди, които могат да взаимодействат със силициевите или диелектричните филми на повърхността му. В резултат на това рядко се използва отлагане на метални пари.

В момента най-широко използваният метод за отлагане на метални филми е йонно-плазменото разпрашване с помощта на магнетронни разпрашващи системи - устройства за генериране на плазма.

Методът на магнетронно разпрашване използва кръстосани магнитни и електрически полета за повишаване на йонизационната ефективност на работния газ и, следователно, плътността на плазмата.

Магнетронът е двуелектродна система, в която разпръснатият материал е катод. Най-често се използват две основни електродни системи: с пръстеновиден (конусен) катод, наречен S-gun (фиг. 5.1, а), и планарен (фиг. 5.1, b). Във всички случаи силовите линии на магнитното поле са перпендикулярни на силовите линии на електрическото поле и преминават през повърхността на катода. В този случай се създава плътна плазма с ниско налягане, локализирана върху желаната област на повърхността на катода, от която се извършва разпрашаване. Скоростта на разпръскване при използване на коничен магнетрон е пропорционална на косинуса на ъгъла между посоката на лъча на разпръснатия материал и нормалата към субстрата. За да се увеличи производителността на този метод, може да се използва планетарна система за подреждане на субстрати спрямо източника на разпръснатия материал. При планарен магнетрон пластините се поставят в равнина пред магнетрона, а източникът може да има променливи размери, така че е възможно значително увеличаване на производителността на устройството.

Използването на магнетронно разпрашване позволява отлагане на метал с висока скорост. Въпреки това, напрежението на магнетронните източници обикновено е по-ниско от това на устройствата с електронни лъчи, следователно те генерират по-слабо проникващо лъчение. Скоростта на отлагане може да се контролира от разстоянието между източника и субстрата и достига 1 µm/min при отлагане на алуминий или негови сплави.

Инсталациите от магнетронен тип обикновено са оборудвани с микропроцесорни системи за управление, които работят по определени програми. Системите за управление ви позволяват да настройвате програми, да препрограмирате, да променяте параметрите на процеса, както и да свързвате конкретна инсталация с големи контролни комплекси. Регулират се основните параметри на технологичния процес: времеви характеристики на операциите по изпомпване на камерата, впръскване на работния газ, нагряване на подложките, йонно почистване на повърхността на подложките и процеса на разпрашаване; както и магнетронна мощност; скорост на движение на въртележката с подложки. Зареждането и разтоварването на плочи може да се извърши или от оператора, или (в някои устройства) автоматично. Освен това зададените и текущите стойности на параметрите по време на процеса на пръскане могат да се контролират с помощта на екрана на дисплея.

Въпреки че магнетронните системи за изпаряване на метали са много по-трудни за производство и експлоатация от вакуумно-термичните системи, в съвременните производствени условия те са най-модерните, осигуряващи необходимите качества и производителност при отлагане на метални тънки филми.

Създаване на омични контакти към ИС

Основната цел на контактите в ИС е да доставят електрически ток в една или друга област.

За равнинни ИС се използват както локални контакти (фиг. 5.2, а), така и широко разпространени контакти (фиг. 5.2, б), които се простират до повърхността на диелектричното покритие - силициев диоксид, силициев нитрид и др. Общите контакти са голямо предимство на планарните ИС, тъй като те позволяват да се отдели мястото, където е свързан щифтът от активната област на устройството и по този начин драстично да се намали както размерът на последното, така и вредните ефекти върху него.

Основните качества на контактите - осигуряване на зададените електрически параметри и механична якост - трябва да се поддържат през целия експлоатационен живот на ИС, когато работните условия на веригите се променят в широк диапазон. За нормална работа на полупроводниково устройство или IC, неговите контакти трябва да отговарят на следните изисквания:

Бъдете некоригиращи, т.е. контактното съпротивление не трябва да се променя при промяна на посоката на протичащия ток и не трябва да се инжектира;

Имат линейна зависимост на съпротивлението от големината на протичащия ток;

Имат минимално съпротивление, включително в посока, успоредна на повърхността, особено ако терминалът е свързан към малка част от контакта;

Имат висока топлопроводимост и имат коефициент на топлинно разширение, близък до този на силиция и оловото или материала на корпуса;

Осигурете металургично стабилна система със силиций и оловен материал в случай на многослойни контакти, това условие се отнася до взаимодействието на слоевете един с друг;

Контактният метал трябва да осигурява достатъчно добра адхезия към силиция, а при обикновените контакти и към диелектричното покритие;

Не взаимодействайте химически с диелектричното покритие;

Осигуряване на фотолитография;

Дълбочината на дифузия на контактния метал в силиция трябва да бъде минимална.

За да се създаде неинжектиращ контакт с ниско съпротивление, е необходимо електрохимичните потенциали на метала j да се срещнат и на силиция j Сизпълних условията: j ​​изпълних< jСаз за С i n-тип; и j срещна > j С i за p-тип Si. Въпреки това, такива контакти, като правило, имат нелинейни характеристики на тока и напрежението; тяхното съпротивление зависи от величината на приложеното напрежение и протичащия ток.

Това може да се избегне чрез допълнително легиране на полупроводника под контакта, например в n-тип силиций се създава тънка n+-тип област чрез дифузия. Между n – - и
n + -области възниква контактна потенциална разлика, пропорционална на разликата в концентрациите на йонизирани донори. Много е трудно да се промени тази потенциална разлика с външно приложено напрежение: за всяка полярност на напрежението ще се промени само потокът на основните носители. Това осигурява линейност на контактните характеристики. Линеен неинжектиращ контакт обикновено се характеризира с контактно или преходно съпротивление r k. Големината на това съпротивление зависи главно от вида на метала и вида и съпротивлението на полупроводника

За полупроводник с ниска концентрация на примеси може да се използва уравнението:

където A * = 4pem * k 2 /h 3 - константа на Ричардсън (e - заряд на електрона;
k е константата на Болцман; m * - ефективна маса на носителите на заряд;
h - константа на Планк); j B е височината на бариерата метал-полупроводник. Тъй като в този случай преобладава термоелектронното излъчване през бариерата, ниското контактно съпротивление изисква ниска височина на бариерата. Когато концентрацията на примеси е по-малка от 10 17 cm–3, r k не зависи от нивото на допиране. При висока концентрация на примеси ширината на бариерата намалява поради силното огъване на полупроводниковите ленти, а тунелирането през бариерата играе основна роля в протичането на ток в контакта. В този случай контактното съпротивление може да бъде представено като

,

където e S е диелектричната константа на силиция; N D е концентрацията на примеси в полупроводника. Когато концентрацията се увеличи над 10 19 cm–3, r k намалява бързо. Таблица 5.1 представя стойностите на j V за най-често използваните контактни материали.

Таблица 5.1

Височина на бариерата метал-силиций, V

Характеристиките на потреблението на енергия на електроцентралите се изграждат при наличие на енергийни характеристики на цеховете, съответстващи на определена комбинация от работа на агрегати вътре в цеха и при спазване на определен технически минимум и максимално натоварване на станцията.

Изчислението се основава на метода на енергийния баланс, т.е. равенство на полезната мощност на предходното стъпало и отдадената мощност на следващото стъпало.

Ефективността на работа на електроцентралата като цяло се оценява на базата на нетните енергийни характеристики на станцията, която отчита потреблението на енергия за собствени нужди.

Характеристиките на електроцентралата са изградени чрез комбиниране на характеристиките на цеховете:

И Имайки графично представяне на всички характеристики на магазина, е възможно да се изгради характеристика на станцията. При конструирането на тази характеристика точките на прекъсване на всички характеристики са задължително идентифицирани, следователно е по-целесъобразно да се конструират
започнете от точките на прекъсване на характеристиките на магазина.

Графично представяне на характеристиките на потока на електроцентрала може да се използва само за определен набор от работно оборудване.

В реални работни условия съставът на работното оборудване във всяка производствена фаза не остава постоянен. Освен това условията на работа също се променят (качество на горивото, ниво на вакуум и т.н.).

Работата с график онлайн е трудна. Затова те използват алгоритми за конструиране на тази характеристика, разработват подходящи програми и ги използват на персонален компютър.

Изграждането на енергийните характеристики на ТЕЦ с променлив режим на топлинни натоварвания става още по-сложно. В този случай е необходимо да се изгради семейство от характеристики за последователни стойности на топлинното натоварване.

Енергийни характеристики на водноелектрическите централи.

За характеризиране на работата на водноелектрическите централи се анализират няколко вида енергийни характеристики.

н – налягане при постоянен воден поток

Групови характеристики.

Обикновено идентични единици (с еднакви характеристики на потока) се инсталират във водноелектрически централи. Следователно груповите характеристики за блокове на водноелектрически централи се конструират чрез добавяне на ординатите на индивидуалните характеристики.

Икономическа оптимизация

режими на работа на електроенергийната система.

Когато електроцентралите работят заедно, целта е да се постигне най-голяма ефективност в енергийната система като цяло. За да направите това, общото натоварване на електроенергийната система се разпределя между електроцентралите или според минималните относителни увеличения (ако характеристиките са линейни), или според равенството на относителните увеличения (ако характеристиките са криволинейни).

Може да има два метода за решаване: графичен и табличен.

Ако характеристиките са криволинейни, тогава натоварването се разпределя според принципа на равенството на относителните увеличения.

Табличен метод.

В енергийната система има пет централи.

Ако натоварването е между
Диспечерът гледа коя станция може да поеме допълнителното натоварване.

Познавайки стойностите на относителните увеличения, е възможно да се състави графична или таблична характеристика на потреблението на енергия за енергийната система като цяло.

Използването на характеристиките на потреблението на енергия за електроенергийната система е предмет на редица ограничаващи условия:

При разпределяне на натоварването между електроцентралите е необходимо да се вземе предвид не само големината на относителното увеличение, но и цената на горивото, което

консумирани на всяка станция. Необходимо е натоварването да се разпредели не според минимума , и от .
тези. чрез незначително равенство на горивния компонент на себестойността (
).

2. Необходимо е да се вземе предвид възникващият горивен и енергиен баланс, според който за определен период станцията е принудена да изгаря един или друг вид гориво (изгаряне на свързан газ, изгаряне на кафяви въглища от стари запаси, кокс газ за фурна и др.)

3. Необходимо е да се вземе предвид наличието на водноелектрически централи в енергийната система наред с топлоелектрическите централи.

В този случай се въвежда понятието горивна ефективност на водноелектрическите централи

– относително увеличение на водноелектрическите централи по произволни единици. гориво.

– метеоролозите дават през януари за следващата година.

4. Необходимо е да се вземе предвид ефектът върху потребителя, т.е. увеличаване на относителните загуби в мрежите за всеки kW предадена мощност.

– относителни загуби.

5. Трябва да се има предвид покритието на загубата на реактивен товар. За тази цел се използват компенсаторни устройства на консуматори или генератори на станции. Реактивният товар се разпределя според максималните относителни увеличения, т.е. първо се зареждат станциите с нискоефективни блокове и тези, разположени в центъра на реактивния товар.

6. Необходимо е да се вземе предвид потокът на електроенергия и мощност от една енергийна система към друга.

I – икономии се получават в енергийната взаимосвързаност като цяло, когато енергията и мощността преминават от по-икономична енергийна система към по-малко ефективна (ефект, дължащ се на разликата
).

II – допълнителни загуби, възникващи при предаване. Намалете икономическата ефективност на потока.

III – резултантна крива.

С течение на времето
ще се увеличи и
– намаляване (изключване на по-малко ефективни агрегати).