sin título de diapositiva · 4º curso primer semestre 5 octubre 2002 bandas de energía...
TRANSCRIPT
4º Curso Primer semestre
1
Octubre 2002
Índice1. Conceptos Básicos del Láser 1.1 Introducción: Esquema del láser1.2 Resonador Fabry-Perot1.3 Interacción Radiación – Materia: Coeficientes de Einstein1.4 Condición Umbral para oscilación Láser1.5 Características de la radiación láser2: Láser de Semiconductor 2.1 Introducción a la teoría básica de semiconductor: Generación y Recombinación (par e- -h+)2.2 Relación Energía- Momento: Diagramas E(k)-k-Banda Directa y Banda Indirecta2.3 Concentración de Portadores: Material Intrínseco y Extrínseco2.4 Material Fuera de Equilibrio2.5 Ganancia Láser y Espectro de Ganancia2.6 Unión p-n: Polarización directa
HomouniónHeterounión
2.7 Condición Umbral (gth = pérdidas); Eficiencia
3. Estructuras LÁSER Geometría de Tira enterrada → Confinamiento LateralPozo CuánticoLáseres Monofrecuencia: Cavidad externa, DFB,DBR.Láser de Emisión de Superficie
4. LED 4.1 Motivación: Potenciar emisión espontánea4.2 Recombinación Radiativa o no Radiativa: Potencia y eficiencia: 4.3 Ancho de banda de Modulación: Producto Potencia - Ancho de Banda 4.4 Estructuras5. Características de Emisión de LD y LED y Módulo Transmisor5.1 Curva P-I5.2 Espectro de Emisión: Dependencia con T5.3 Distribución Espacial: Distribución de Campo Lejano (Diagrama de Radiación)5.4 Propiedades Dinámicas LD:Transmisión AnalógicaTransmisión Digital 5.5 Circuitos de transmisión5.6 Parámetros de Catálogo
4º Curso Primer semestre
2
Octubre 2002
Transmisores enComunicaciones Ópticas
Transmisores: conversores electro-ópticosTipos:
• Light Emitting Diode (LED)• Laser Diode (LD)
Requisitos:• Alta potencia en la fibra• Alta velocidad• Espectro de emisión estrecho • Conversión E/O: lineal (analógicos), sin ruido• Baja dependencia con la temperatura• Otras características: tamaño, precio, fiabilidad....
CIRCUITO DEATAQUE Y
POLARIZACIÓN LEDo
LD
F. O.
V
Concepto General de LáserLASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Energía (bombeo):óptico o inyección de corriente
Medio con ganancia(inversión de población)
Realimentación:cavidad resonante (Fabry-Perot)
⇒ OSCILACIÓN LÁSER
BOMBEO
realimentación
I I’ > I Iout
MEDIO ACTIVOg > 0
4º Curso Primer semestre
3
Octubre 2002
Interferómetro Fabry-Perot (I)
( )δ
δ
j
j
irReBA
Re11
−−
=∑=∞
λθπδ 2cos4 Ln
= Desfase entre 1 y 2Aj
n1
n1
n
θ1
θ2
A3A2A1
B1
θ1
θ2
B2 B3 B4
L
δjitTAARe1−
=∑=∞
R + T = 1 Coeficientes de Reflexión y Transmisión
Interferómetro Fabry-Perot (II)
( )( ) ( )2/sen41
2/sen422
2
δδ
RRR
II
j
r
+−=
Ajn1
n1
n
θ1= 0
θ2 =0
L
( )( ) ( )2/sen41
122
2
δRRR
II
j
t
+−−
=
∗⋅= AAmwI )/( 2
Medio sin pérdidas ⇒ It + Ir = Ij
sen2 (δ/2) = 0 ⇒ It = Ij Ir = 0
πλ
θπδ mLn 2cos4 2 ==
θ1= 0π
λπδ mnL 24
==
4º Curso Primer semestre
4
Octubre 2002
Interferómetro Fabry-Perot (III)
Ln 2
2λλ =∆
Lnc2
ν =∆
mLn
m2λ =
Lnmc
m 2ν =
m ≡Modos longitudinales del Resonador
2mπλ 2(m+1)πλ 2(m+2)πλ
Tran
smita
ncia
70%
50%
20%
λ
j
t
II
R
Cavidad Resonante: Oscilación Láser
Analizador de Espectros Óptico (Variando L)
Biestabilidad Óptica (Variando n)
Aplicaciones
Hay que destacar que los modos longitudinales están equiespaciados en frecuencia pero no en longitud de onda. La distancia entre dos modos en longitud de onda depende de la longitud de lacavidad y de la longitud de onda.
La finesse da una indicación de cuantos canales (longitudes de onda) pueden pasar simultáneamente sin interferencia significativa entre ellos.
4º Curso Primer semestre
5
Octubre 2002
Bandas de Energía
• NIVELES ATOMICOS ⇒ BANDAS• MATERIAL:
• Aislante (Eg > 2 eV)• Conductor• Semiconductores (Eg ≈ 0,1 – 3 eV)
• Excitación de un e- ⇒ GENERACIÓN de un PAR electrón – hueco
• Caída de un e- de la B.C a la B.V ⇒ RECOMBINACIÓN de un PAR e – h
Conceptos básicos de semiconductor
Relación Energía Momento: Diagramas E(k) - k
( )c
c mkhEE
22/ 22π
+=
( )v
v mkhEE
22/ 22π
−=
mc,v → Masa e-, h+
k → Vector de onda
Banda Prohibida → Eg = Ec- Ev
Gap indirecto: Si, GeTransiciones con intervención de un fonón
Gap directo: GaAs (III-V)Transiciones directas
Materiales de Gap Directo e Indirecto
4º Curso Primer semestre
6
Octubre 2002
Semiconductor Extrínseco en Equilibrio
Tipo n:n = ND
(concentración donantes)p << n Ef ↑
Tipo p:p = NA
(concentración aceptores)p >> n Ef ↓
DONANTES ⇒ e- en B.C → Tipo nACEPTORES ⇒ h+ en B.V → Tipo p
Concentrac iónPortadores
������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������
Ocupación de las Bandas
Probabilidad de Ocupación de los Estados → ocupacióndefunción
TkEE
Ef
B
f
−+
=exp1
1)(
f(E)
Fuera de equilibrio T > 0ºK
Semiconductor Intrínseco
Ef������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
Ef
Ev
Ec
0 1
Ef
Ev
Ec
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������
T1
T2
T1<T2
0 1
En equilibrio T = 0ºK
4º Curso Primer semestre
7
Octubre 2002
Material Intrínseco o ExtrínsecoFuera de equilibrio
Intrínseco → n = p = ∆nLos cuasi-niveles de Fermi indican elnivel lleno en cada banda:
Ec < E < Efn
Efp < E < Ev
Extrínseco-n → n >> p = ∆nEfn → nivel lleno en B. C.
Extrínseco-p → p >> n = bombeoEfp → nivel lleno en B. V
Efn
Efp
������������������������������������������������������������������
����������������
Extrínseco-p
Efn
Efp
Intrínseco
����������������������������������������������������������������
������������������
Efn
Efp
Extrínseco-n
������������������������������������������������������������������
����������������������
Material Fuera de equilibrio (Bombeo = ∆n)
Probabilidad de ocupación distintaen cada banda
−+
=
TkEE
Ef
B
fnn
exp1
1)(
−+
=
TkEE
Ef
B
fpp
exp1
1)(
Cuasi-niveles de Fermi
1 f(E)
Ec
Ev
fn(E2)
fp(E1)���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������
Efn
Efp
4º Curso Primer semestre
8
Octubre 2002
Interacción Radiación-Materia
ABSORCIÓN EM. ESPONTÁNEA EM. ESTIMULADA
rabs (hν) ∝ ρ ν (hν) • [1 – fc (E2)] • fv (E1)
rstim (hν) ∝ ρ ν (hν) • fc (E2) • [ 1 - fv (E1)]
rspon (hν) ∝ fc (E2) • [ 1 - fv (E1)]
rtot (hν) = rstim (hν) - rabs (hν) > 0 ⇒ fc (E2) • [ 1 - fv (E1)] - [1 – fc (E2)] • fv (E1) > 0
⇒ Inversión de Poblaciónfc (E2) > fv (E1)
Efn – Efp > E2 – E1 = hν
Espectros de Ganancia y Emisión Espontánea
O r ig i n6 0 D e m o O r ig i n6 0 D e m o O r ig i n6 0 D e m o
O r ig i n6 0 D e m o O r ig i n6 0 D e m o O r ig i n6 0 D e m o
O r ig i n6 0 D e m o O r ig i n6 0 D e m o O r ig i n6 0 D e m o
O r ig i n6 0 D e m o O r ig i n6 0 D e m o O r ig i n6 0 D e m o
O r ig i n6 0 D e m o O r ig i n6 0 D e m o O r ig i n6 0 D e m o
O r ig i n6 0 D e m o O r ig i n6 0 D e m o O r ig i n6 0 D e m o
0,65 0,70 0,75 0,80 0,850
1
2
3
4
5
6
7
8
AlG aAs SQW
Rec
ombi
naci
ón
Esp
ontá
nea
(10
28 e
V-1
cm-3
s-1)
Longitud d e O nda (µm)
10 18
2 x 1018
3 x 1018
4 x 1018
5 x 1018
6 x 1018
7 x 1018
8 x 1018
9 x 1018
10 19 cm -3O r i g in 6 0 D e m o O r i g in 6 0 D e m o O r i g in 6 0 D e m o
O r i g in 6 0 D e m o O r i g in 6 0 D e m o O r i g in 6 0 D e m o
O r i g in 6 0 D e m o O r i g in 6 0 D e m o O r i g in 6 0 D e m o
O r i g in 6 0 D e m o O r i g in 6 0 D e m o O r i g in 6 0 D e m o
O r i g in 6 0 D e m o O r i g in 6 0 D e m o O r i g in 6 0 D e m o
O r i g in 6 0 D e m o O r i g in 6 0 D e m o O r i g in 6 0 D e m o
0 ,6 5 0 ,7 0 0 ,7 5 0 ,8 0 0 ,8 5-400 0
-300 0
-200 0
-100 0
0
100 0
200 0
300 0
400 0
9x1 0
188x
10
187x
10
18
6x1
018
5x1
018
3x1
018
2x1
0184x
10
18
1 019 c
m-3 AlG aAs SQ W
Gan
anci
a d
el M
ater
ial (
cm-1
)
Longitud de On da (µm )
1018
cm
-3
Efn – Efp > hν > Eghν > Eg →
g > 0 ⇒ Amplificación g < 0 ⇒ Atenuacióng = 0 ⇒ Transparencia
MEDIO
→ I0
x
g > 0
g < 0
4º Curso Primer semestre
9
Octubre 2002
Unión p-n
Unión p-n: Polarización directa
Vj
4º Curso Primer semestre
10
Octubre 2002
Láser de Doble Heteroestructura
Confinamiento de portadores en la zona activa: diseño de “d”
Guía-onda en la dirección vertical: Confinamiento de luz
Eg1 y Eg3 > Eg2
n1 y n3 < n2
contacto
p-material
n-material
Regiónactiva
x
y
zI
W
L (largo de la cavidad)
12
3
Índicerefracción
Modo óptico
∆n
energía
CBVB
bandgap
elec
tr ons
hole
s
Casi todos los diodos láser (LD) actuales están basados en el láser de doble heteroestructura. Consiste en un “chip” de semiconductor en el que se ha crecido una unión p-n sobre un substrato; sus caras han sido talladas (“cleaved”) de forma que den lugar a espejos de alta calidad debido a la diferencia entre el índice de refracción del semiconductor y del aire. En la dirección de inyección de corriente se ha crecido una zona activa de mayor índice de refracción y de menor “gap” que las zonas adyacentes, denominadas zonas de recubrimiento (“cladding”). Ello se consigue mediante un adecuado perfil de composición.
Dicho perfil de composición da lugar a dos fenómenos imprescindibles para obtener emisión láser en forma eficiente:
- Confinamiento de portadores: que son acumulados y forzados a recombinarse en la región activa, de menor “gap”.
- Confinamiento óptico: el perfil de índices produce un efecto deguía onda que confina el campo óptico en la zona activa.
4º Curso Primer semestre
11
Octubre 2002
Materiales Semiconductores
( )evEge
22.1=λ
Al
Ga
In
P
As
Sb
Semiconductores binarios
Grupos III-V
Semiconductores ternario
Al
GaAs
x
1-x
Semiconductores Cuaternarios
Ga
In
P
Asx
1-x
y
1-y
Materiales base
(substratos)
4º Curso Primer semestre
12
Octubre 2002
Condición Umbral
α 1ln1:RL
gMÓDULO inth
+=
α
ω
1
:)(),(
3.0)1()1(
)2()(20
)(
2
2
eeREE
oscilacióndeCondiciónezAtzE
nnR
kLjLg
kztj
in =⇒=
=
≈+−=
−−
−
R
REGION ACTIVA
Bombeo:CORRIENTE
Caras Pulidas
Z = 0 Z = L
R
Medio con Ganancia
ESPEJOS
E2
E0
L
FASE 2knL = 2mπGANANCIA OPTICAg = α
α (cm-1) = Absorción
MODOS LONGITUDINALES
Ln
mLn
Lnc
Lnmc
nk
eff
effm
eff
effm
eff
2
2
2
2
2
2λλ
λ
ν
ν
λπ
=∆
=
=∆
=
=cavity losses
carrierdensity
0Wavelength (µm)
longitudinalmodes
lasing mode
Gai
n
4º Curso Primer semestre
13
Octubre 2002
Potencia-portadores-corriente (I)
dn
dt
I
e Vact
- R (n) (m-3 s-1) = Variación de Portadoresτsp → Tiempo de vida de emisión espontánea (radiativo y no-radiativo)C → Coef. que incluye coef. de Einstein
Pérdida de e- en B.C por E. Estimulada
Pérdida de e- en B.C por E. Espontánea
dn
dt
I
e Vact=
nτsp
c n φ
Incremento de e- en B.C
Variación de Densidad de Fotones
Fotones producidos por E. Estimulada
Fracción de fotones producido por E. espontánea
Decremento de fotones por pérdidas en la cavidad
τph→ tiempo de vida de un fotón
phsp
ncndtd
τφ
τδφφ
−+=
Relación Potencia-Portadores-Corriente
)(
00 SnngII thth
(W/A) : EfficiencySlopeslopeη
−+=
nqVItot
thactth τ
=
)( 00 φsnngnqVItot
act τ
−+=
I
n nth
I
P
Ith
ηslope
Régimen Estacionario con φ = φs →
sthsp
th
act
cnnqV
Idtdn φ
τ−−== 0
τphφs = (I – Ith) q
I < Ith ⇒I = q Vact [n/τsp] φ ≈ 0; Popt ≈ 0
I > Ith ⇒n = nthP = ηslop (I - Ith)
4º Curso Primer semestre
14
Octubre 2002
Relación Ganancia – Umbral de Portadores
gP = g0 (n –n0)α Coeficiente de absorción del semiconductor sin inyección
Oscilación láser → gth = Γ g0 (nth –n0) = α in + (1/L) Ln (1/R)Γ → factor de confinamiento
gp
nn0
− α
gp
nn0
− α
Pérdidas
nth
Eficiencias
ηext = Eficiencia Cuántica Externa diferencial ⇒o eficiencia de la pendienteTípico ηext = 40 -60 %
dIdP
hq
qIdd
inyectadosensalidafotonesdeflujo o
o ⋅==∆
∆− ν
φ)/(
0
ηint = Eficiencia Cuántica Interna diferencial ⇒Típico ηext = 50 -100 %
(%)inyectadoseden
cavidadlaengeneradosfotoneso −∆
∆
ηe = Eficiencia de la Emisión ⇒ resonadordeltotalespérdidasespejoslosporatransmitidútilLuz
ηt = Eficiencia Total ⇒ inyectadosedetotalnsalidafotonesdetotaln
o
o
−
IIth
P
ηext
ηt
ηext = ηint ηe ηext = ηint ηe
ηconv = Eficiencia de Conversión ⇒ VIP
entradadeeléctricaPotenciasalidadeópticaPotencia o=
4º Curso Primer semestre
15
Octubre 2002
Estructuras LáserReducir IthEliminar modos lateralesPo grande y estableMayor enfoque posibleMonofrecuencia
EMISIÓN DE BORDE EMISIÓN DE SUPERFICIE
Geometría de TiraCavidad Selectiva en frecuencia
Cavidad acoplada
Red de Difracción
Doble Heterounión
AREA-ANCHA
GUIADO POR GANANCIA
(Cavidad Fabry-Perot)
Guiado por Índice
DÉBILGuiado Fuerte
(Estructuras Enterradas)
Cavidad Vertical
Cavidad Horizontal
Red de Difracción
POZO CUÁNTICO
(Quantum-Well)
MÚLTIPLESIMPLE
Mono-frecuencia
4º Curso Primer semestre
16
Octubre 2002
Estructuras Láser: Guiado Lateral
Guiado por ganancia:Fabricación sencillaHaz inestable
metalcontac
oxidep-cladding
n-claddingactive
substrate
metalcontac
p-cladding
n-claddinga
substrate
metalcontac
oxide
active
substrate
n blockinglayerconfinementlayer
nn
p p
p
Guiado débil por índice:Fabricación más complejaControl de modos lateralesMenor volumen bombeado
Guiado fuerte por índice(estructuras enterradas, HB)Fabricación muy complejaConfinamiento óptico y de
portadoresMínimo volumen bombeado
Láseres De Pozo CuánticoZona activa: 5-20 nmConfinamiento de e- y h+ en sub-bandas de energía
Ventajas:Menor volumen + efectos 2D ⇒menor corriente umbralMás grados de libertad (long. onda)Más velocidad
• Desde 2000 (casi) todos los LD son deQW
• Futuro:→ Punto cuántico (QD)?→ Cascada cuántica (QC)?
EC
p-claddingn-cladding
QW
EV
y
Eei
Ehj
∆Eei-hj
||ψei2
||ψhj2
Confinamiento Confinamiento
4º Curso Primer semestre
17
Octubre 2002
Láseres Monofrecuencia (Single Frequency) (1)
LÁSER FABRY-PEROT (FP)SMSR = 3 - 20 dB
LÁSER MONOMODOSMSR = 30 - 40 dB
Side Mode Supression Ratio (SMSR) = 10 log (P0/Ps)
Láseres Monofrecuencia (2)
→ Seleccionan un único modolongitudinal de la cavidad
→ Tecnología muy compleja
→ Alto precio
DFB: Distributed Feedback Laser
Región activa
p-type
n-type
grating
+
-
p-type
n-type DBRDBR
+
-
DBR: Distributed Bragg Reflector
Longitud de onda de Bragg:
Λ = m λB / 2 neff
4º Curso Primer semestre
18
Octubre 2002
Láseres Sintonizables
Láser de cavidad externa
Láser DBR multisección
Láseres De Emisión Superficial
Vertical Cavity SurfaceEmitting Lasers (VCSELs)
→ Pequeño volumen: menorganancia, menor Ith
→ Alta densidad (producción)→ Posibilidad de arrays 2D→ Tecnología compleja→ Problemas térmicos→ Bajo precio!
4º Curso Primer semestre
19
Octubre 2002
LED:
Motivación: Fortalecer la emisión espontánea
Principios de funcionamiento
Mecasnismos de recombinación
Ancho de Banda de Modulación
Estructuras LED
LEDPrincipios de Funcionamiento y
Estructuras
Emisión espontánea; Eficiencias
Rtot (n) = Rnrad (n) + Rspon(n) = ∆n/τtot
Efc↑ ⇒ fc (E2) ↑Efv↓ ⇒ 1 – fv (E1) ↑Incremento de Bombeo ⇒
rspon (hν) ∝ fc (E2) • [ 1 - fv (E1)] (nº de fotones por seg. Hz. y unidad de volumen)
FortaleceEm. Espontánea
Rnrad = ∆n / τnrad Rra d = ∆n / τspt τtot-1 = τnrad
-1 + τspt-1
En estacionario: I = e Vact Rtot(n) Pin = Vact (hν) Rrad = ηin (hν/e) I
Se radian fotones es todas las direcciones ⇒ Pout = ηextr Pin = ηextr ηin (hν/e) I = ηe(hν/e) I
ηe xtr = Eficiencia de la extracción 2 – 3 % (Máx 30 %) Mejora con Doble Heteroestructura
ηin = Rrad / Rtot = τnrad /(τesp + τnrad)
Eficiencia Interna
Eficiencia externainyectadoseden
salidafotonesdene −=
ººη
4º Curso Primer semestre
20
Octubre 2002
LED: Principios de funcionamiento
• Estructura basica: diodo p-n en material de gap directo
• Basado en emisión espontánea• Característica P-I: aprox. Lineal• Baja eficiencia de conversión (2-3 %)
Iq
hIq
hPP eextinextout
=
==
υηυηηη
Mecanismos de Recombinación
• No Radiativa: sin emisión de luz, portrampas (defectos)
• Radiativa: emitiendo luz (espontánea oestimulada)
⇒ Rnrad = ∆n / τnrad [cm-3 s –1]⇒ Rrad = ∆n / τrad [cm-3 s –1]⇒ Rtot = ∆n / τtot = Rnrad + Rrad⇒ τtot
-1 = τnrad-1 + τrad
-1
⇒ η = Rrad / Rtot = τnrad /(τrad + τnrad)
τnrad τrad τtot η
Si 10 ns 10 ms 10 ns 10-6
GaAs 10 ns 10 ns 5 ns 0,5
h+e-
N- Rad Rad
hνEc
Ev
ET
4º Curso Primer semestre
21
Octubre 2002
• Filtro paso bajo:
Respuesta Dinámica del LED
( )[ ]P P
tot
rise fall tot
( ) ( )
.,
ωωτ
τ τ
=+
≈
0
1
2 2
21
2
• Producto Potencia-Ancho de banda = Cte ⇒ Compromiso potencia-velocidad
• Valores típicos: 10 MHz-1 GHz
2.2 τn
90 %
10 %
t
P
E S TR U C TU R A S LE D
L E D E m isión Su p erficial
(S L E D )
L E D E m isión L ateral
(E L E D )
p+ -G aA sp-A lG aA s
p-G aA sn-A lG aA s
C on tacto m etá lico
C on tacto m etá lico
C apa d e A islam ien to(S iO )2
G aA s-su bstrate
L uz d e
salid ap-A lG aA sp-G aA sn-A lG aA s
n-G aA ssubstrato
C o ntactom etálico
R egión em isora de luz
C o ntactom etálico
etchedw ell
epoxyadhesivo
Fibra Óptica
Multimod
o
S iO 2
L E D Su perlum iniscente
(SL D )