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OPTOELECTRÓNICA:
Logros y perspectivas
¿ Por qué OPTO...?
POSIBILIDADES
DE LA LUZ
APLICACIONES
Rapidez ( 3·108 m/s )
•
• Comunicación óptica
Inmune a perturbaciones
•
• Almacenamiento óptico
Detección a distancia
•
• Vídeo y fotografía
Posibilidad de enfoque
•
• Visualizadores
Formación de imágenes
•
• Instrumentación y control
Visible para 0.4 - 0.7 µm
•
• Investigación
Variedad de λ
•
• Visión nocturna
Interacción selectiva
•
• Sensores
Modificación de materiales •
Energía solar
•
• Procesado, impresión,…
• Generación fotovoltaica
Longitudes de onda de interés
sensores y
procesado
visible comunicación
0.4
0.7
UV
1.6
NIR
3
1.6
SiC GaP
GaAs Si
IR
térmico
λ (µm)
MIR
0.8
Ge
hν (eV)
Eg (eV)
⇒ Visible y NIR
≈ Eg de los semiconductores
Semiconductores
interacción con la luz
Generación e- h ⇒ detección
- electrón
BC
fotón
hν >Eg
BV
Recombinación ⇒ emisión
hν
Eg
hueco +
BC
- electrón
fotón
Eg
hν =Eg
BV hueco +
I
¿ Por qué ...electrónica ?
Prestaciones:
• Bajo coste
• Pequeño tamaño
• Rapidez eléctrica
• Fiabilidad
• Bajo consumo
Aplicaciónes: “electrónicas” o específicas
Guión
Motivación
Introducción
Qué semiconductores utilizamos
• Los LED: los emisores más sencillos
• Los diodos láser y sus aplicaciones
• Fotodetectores: receptores, lectores y sensores
• Cámaras digitales
Perspectivas y conclusiones
Absorción banda a banda
Para hν > Eg ⇒ absorcion de la luz
⇒ atenuación : φ(x) = φ(0)·exp(-αx)
α = coef. de absorción; L = 1/α
semicond. directos
muy probable (L ≈1µm)
semicond. indirectos
poco probable (L ≈100
µm)
• El silicio vale para λ < 1.1 µm
• Lo importante es que λ<1.24/Eg • Para 1.3 y 1.55 µm: Ge o GaInAs
• …Pero en ambos casos ocurre
Emisión de luz
semiconductores directos
semiconductores indirectos
Recomb. radiativa probable
posible emisión
Recomb. no radiativa
no emisión
IV
III-V
semic.
Ge
Si
InAs
InP
GaAs
GaP
AlAs
Eg (eV)
0.7 I
1.1 I
0.4 D
1.4 D
1.5 D
2.3 I*
2.4 I
¿Qué semiconductor ?
• directo ⇒ semic. III-V (difícil para λ «)
⇒ un semic. para cada λ
• Eg ≈ h ν
• λ’s intermedia? ⇒ aleaciones
• evitar R no radiativa ⇒ buena calidad
Diodos emisores de luz (LEDs)
Los emisores más sencillos
•Inyección de corriente
•Recombinacion (b-b o d-b)
•Popt = η· IF
Características:
VF
∆λ ∝ kT
Para b-b, λ ~ λg
f ~ 1/τ
Alta fiabilidad
ej.: GaAs
~ 1.2 V
~ 30 nm
0.9µm
< 100 MHz
LED de visible
• Difícil : η grande y λ corta
• Deseable para: ↑ visibilidad
↑ colores
• Respuesta visual:
LED de visible
material
GaAs
GaAsP
GaP: ZnO
GaP: N
GaAsP: N
AlGaAs
AlGaInP
GaInN
GaInN
tipo
D
☺
D
☺
I+ imp
I+ imp
I+ imp
D
☺
D
☺
D+imp ☺
D+imp& ☺
substr. color
☺
IR
☺
☺
Lm/W
100
10
☺
☺
1
blanco
70
80
año
90
Aplicaciones de los LED de visible
Coste de
operación incandescente
instalación
LED
3 - 5 años tiempo
LED de infrarrojo (IRED)
• GaAs: 0.95 µm ∼ 1 MHz
• AlxGa1-xAs/GaAs: 0.85 µm ∼ 100 MHz
• GaInAsP/InP: com.ópticas ∼ 100 MHz
Ec
Ev
AlGaAs
GaAs AlGaAs
Introducción
• Los LED: los emisores más sencillos
• Los diodos láser y sus aplicaciones
IR cercano: CDs y láseres de potencia
Visible: DVDs y láseres de nitruros
Comunicación por fibra óptica
WDM: multiplicando la capacidad de la fibra
Micro-óptica y laseres de cavidad vertical
• Fotodetectores
• Cámaras digitales
Perspectivas y conclusiones
En qué se basa el láser
Emisión estimulada
• amplificación de luz
• coherencia
• t < t espontaneo
E2
Fotón
hν = E2-E1
BC
electrón
hν
hν
E1
BV
Inversión de población
• absorcion < em. estim.
• requiere bombear electrones
E2
Fotón
hν = E2-E1
BC
electrón
hν
hν
E1
BV
Qué es un láser
Amplificador óptico coherente
con realimentación óptica
• cavidad resonante
• inyección umbral
(inversión umbral)
Diodos láser
Funcionamiento
• Corriente umbral
• Eficiencia
• Potencia
• Rapidez
• “Monocromáticidad”
• Estabilidad
• Fiabilidad
Diodos láser
Estructura
“Cladding”
p+ , n+
• inyeccion
• confinar luz
Guia de ondas
(n1 > n2)
• realimentación
• confina e-h
Zona activa
QW (tensado)
• amplificación
espejos
Mapa de los diodos láser
750 - 980 nm baja potencia (AlGaAs)
750 - 980 nm alta potencia (AlGaAs)
630- 670 nm baja potencia (visible)
1.3 y 1.55 µm altas prestaciones (GaInAs)
Láseres de cavidad vertical (AlGaAs)
Láseres de AlGaAs
Lectores de CD
780 nm (rojo-IR)
P=5 mW
Control en potencia
IF(normal)= 50-60 mA
IF(defectuoso)= 100 mA
LD+PDmon + óptica+ PDslect
Láseres de AlGaAs
potencia moderada
Laser printer
Láseres de AlGaAs
Alta potencia: “arrays” y “stacks”
¿ Cuánta Popt pueden dar ?
< 1 W cw a fibra 1mod
< 10 W cw por tira
< 100 W cw por “array”
< 1000 W qcw por “stack”
LASER-DIODE ARRAY
¿ Qué hay que optimizar ?
Estructura (QW tensados, rs«,.. )
Fiabilidad (recubrir los espejos)
Disipación térmica
Aplicaciones de diodos láser de alta potencia
Bombeo de láseres de estado sólido
Aplicaciones industriales
Diodos láser de visible
Interés:
Materiales:
Color:
Aplicación:
visible, menor λ
GaInP λ ≈ 670 nm
AlGaInP λ ≈ 630 nm
rojo V630nm > V670nm
punteros
instrumentación
códigos de barras
lectores ópticos (DVD)
(visible)
(menor λ)
Diodos láser de visible
lectores de códigos de barras
Diodos láser de visible: DVD
Dic. 94
En. 95
Dic.95
Abril 97
Sony y Philips anuncian el MM-DC
Toshiba y otros anuncianel SuperDensity
acuerdo: DVD (Digital Versatil Disk)
acuerdos sobre protección de copia
Medio físico:
• Caracteristicas comunes para
DVD-video, audio, ROM, RAM, R, RW
• Mismas dimensiones del CD
• Capacidad: 4.7 Gb por cara y capa
135 min de video a ∼5Mb/s
De donde viene el aumento?
Puntos: x 4.5 (2.12) (↓ λ ⇒ x 1.5 ) ⇒ Datos: x 7
Datos/puntos: x 1.5
650 nm, 5mW
Láseres violeta: GaN
Dificultades tecnológicas
Resultados: Nakamura (1996, 1999)
λp
0.4 µm
APLICACIONES
• instrumentación científica
• nuevos DVD ?
Ptip
5 mW
Ith
VF
45 mA 5V
La fibra óptica
• Optica guiada n1>n2
• Monomodo o multimodo
• Dispersión
• Atenuación
• “Ventanas para”:
λ = 0.9, 1.3 y 1.55 µm
Emisores para fibra óptica
•Minimizar atenuacion
•Minimizar dispersion
•Rapidez
•Eficiencia
•Fiabilidad
•Acoplamiento a fibra
Emisores para fibra óptica
Respuesta en frecuencia
• > 10 GHz
• eliminar RC parásitas
• ↑IF⇒↑ f3dB
Inserción en fibra
• alineamiento
• acoplamiento
• estrategias de micro-óptica
Emisores para fibra óptica
Láseres monomodo
Comunicación óptica a larga distancia
en la fibra ⇒ Fibras monomodo
→ “dispersión” modal
espectral
⇒ láseres monomodo
DFB
DBR
Amplificadores opticos
Fibra óptica dopada con erbio (EDF)
• Comunicación óptica a larga distancia
→ atenuación ⇒ necesidad de amplificadores
Repetidores
eléctricos
óptico
Amplificadores
ópticos
EDFA: ganancia en
1.55 µm
O/E
óptico
eléctrico
A
E/O
óptico
A
BOMBEO
Retardos
Ruido de conversión
D ∼75Km
Alta ganancia
Rapidez
Bajo ruido
Bombeo con láser
980 nm o 1480 nm
WDM vs TDM
Multiplexación por
división en el tiempo
Multiplexación por división en longitudes de onda
• DWDM: canales ITU-T
• hasta 40 x 10 GHz
Sistema WDM completo
Emisores para WDM denso
•Ajustables por temperatura
•Ajustables eléctricamente
•Ajustados por fibra
• ( Modulación externa )
interferométrico
electroabsorción
WDM en cifras
WDM en 1999
WDM en 2003
Asia y
Pacífico
4%
Resto del
Europa
mundo
occidental
0%
13%
8
6
Resto del
mundo
5%
Asia y
Pacífico
13%
10
Miles de equipos
Empresas
2%
Corta
distancia
7%
EEUU y
Canadá
83%
Evolución del WDM
SONET/SDH
Europa
occidental
23%
WDM
EEUU y
Canadá
59%
4
2
Empresas
5%
1999
2001
año
Larga
distancia
91%
2003
Corta
distancia
30%
Larga
distancia
65%
Laseres de cavidad vertical
•Reflectores de Bragg
GaAs/AlAs
•Monomodo
•Haz circular
•Matrices 2D
•Acoplamiento a fibra
•Buses opticos en 1a v.
(1995)
array de VCSELs
λ = 850 nm 0.8 mW
200 Mbit/s
10 x 2 canales
4 Gbit/s
dmax = 300 m
array de PDs
BER > 10E-14
(1995)
array de VCSELs
λ = 850 nm 0.8 mW
200 Mbit/s
10 x 2 canales
4 Gbit/s
dmax = 300 m
array de PDs
BER > 10E-14
Introducción
Los LED: los emisores más sencillos
Los diodos láser y sus aplicaciones
• Fotodetectores
Fotodidodos de Si: IrDA, sensores y otros
Receptores para fibra óptica
• Cámaras digitales
Perspectivas y conclusiones
Fotodetectores
•Receptores: FO, control remoto
•Lectores: CD - DVD - código de barras
•Sensores: presencia, composición
•Monitores: control de láseres
•Cámaras: vídeo, visión nocturna
dispositivos de vacío
fotoconductores
fotoeléctricos
TIPOS
semiconductores
fotodiodos
térmicos
cámaras
Fotodiodos (PDs)
Vph
+
-
Φ
←⎯
iph
Como detector: Φ ⇒ ip
Como batería...
Células fotovoltaicas
Optimizar:
Fotodiodos
señal / ruido (↑ip, ↓i0 )
rapidez
linealidad
Fotogeneración en una unión PN
Popt (1-R)
P(x) = Popt(1-R)e-αx
G(x) = α·P(x)/A
ZCE: G
n:G
x
p:G
arrastre
difusión
difusión
I(V;Φ) = I(V;0) - Iph
arrastre
arrastre
recomb.
Características I(V) de los PDs
i = i0(exp(V/nVT)-1) - iph
Modo Fotoconductivo
Modo Fotovoltaico
v=0 ⇒ i = - iph∝ Popt
i=0 ⇒ v ≈ vT·ln(iph/i0)
Fotoconductor
Polarización inversa
I
V
Φ=0
i = - (i0 + iph)
Φ>0
Respuesta espectral de los PDs
• S(A/W) ∝ η·λ
• directos vs. indirectos
• límite λ cortas
• visible: 0.4-0.7 µm
GaAs-IRED:≈0.9µm
Si
Nd:YAG: 1.064 µm
FO: 1.3, 1.55µm → GaInAs
IR térmico: 3 - 5 , 8 -14 µm
→ otros: InAs, HgCdTe...
Fotodiodos de silicio
Ej: PD Epitaxial
Aplicaciones
Medición de luz
Fotometría
Espectrometría
Control de láseres
Recepción o lectura de datos o señal
Lectores de CD y DVD
Buses ópticos
Redes locales
Control remoto y comunicación IR
Lectores de código de barras
Optoacopladores
Sensores
Proximidad
Composiciones
Detección remota
Interferométricos
En guía de onda
Comunicación IR: protocolos IrDA
LED + PD
λ = 850 - 900 nm
trise < 80 ns
P = 0.4 -1250 µW/cm2
d ∼2 m . BER = 10-4
• 9600-115 Kb/s (IrDA1.0), y hasta 4Mb/s (IrDA1.1)
• Hasta 8 “periféricos”
• Bajo coste. Bajo consumo. Bidireccional
Fotodiodos para comunicación
GaInAs/InP
Rango: 0.9 - 1.7 µm
α« fuera de la ZCE
sólo arrastre ⇒ rapidez
no recomb. superficial
(iluminación por detrás)
OJO: ajuste parámetros de red
Receptores de GaInAs: optimización de la f3dB
tiempo de tránsito
τ = v·W
tiempo de carga
τ = RLC
η*= 1- exp(-αW)
W < 0.35·v / f3dB
A < 0.16·W / (ε·RL·f3dB)
Tecnología de hibridación
Convencional
Tecnología flip-chip:
• ↓ C y L parásitas
• iluminación por detrás
• ↑ area libre
Receptor para comunicación por fibra óptica
• PIN de GaInAs/InP
• IC Preamplificador
de GaAs + Si-IC
• flip-chip
↓ tamaño, ↓ consumo
↑ fiabilidad
• Acoplo a fibra
• SONET OC-48
(2488.32 MHz)
Fotodiodos de avalancha
•Multiplicación por avalancha
• Ganancia ≈ exp (- αe W)
αe(campo eléctrico)
SNR=
G · (señal) PD
___________________________________
G·M·(ruido)PD + (ruido)CIRC
Estructuras SAM
Receptores: GaInAs/InP PDs
Aplicaciones de baja señal
Fotodiodos en guía de ondas
Ventaja: disociar τ y η
→ posible: η·f3dB >20 GHz
Dificultad : acoplar la luz
Ejemplo:
• Integración monolítica con guía
de onda pasiva (guía de entrada)
• Acoplamiento de campo
evanescente a la guía activa
Fotodiodos en guía de ondas
Ejemplo:
λ =1.55 µm f3dB=45 GHz
ℜ=0.22 A/W (1998)
Introducción
Los LED: los emisores más sencillos
Los diodos láser y sus aplicaciones
• Fotodetectores
• Cámaras digitales
CCD y CMOS
Cámaras para IR térmico
Perspectivas y conclusiones
Cámaras CMOS
Cámaras CMOS con convertidores A/D
en cada pixel (Kodad, Canon, HP & Intel,
1998)
Tecnología 0.35 um
pixels 9um x 9um y 25% “fill factor”
ventajas: menor ruido, menor consumo,
simplificación del diseño y fácil escalabilidad
Cámaras para el IR térmico
• 3-6 , 8-12 m
• nocturna
• Mapas de temperatura
• “NET”
• refrigeración
Cámaras para el IR térmico
Camaras micromecanizadas
• Microbolometros
• Deflexion
Sin refrigerar
Nuevas ideas
• Emisores basados en nuevos materiales
• Láseres de punto cuantico
• Láseres de cascada cuantica
• Detectores inter-subbanda
• Fotodiodos y LEDs de cavidad resonante
• Fotodetectores integrados
• Interconexión optica
• etc...
Conclusiones
• Importancia de los materiales (emisores)
• Dispositivos y sistemas
• Electrónica sencilla
• Rica fenomenología
• Primacía de los láseres
• Aplicaciones electrónicas y específicas
• Importancia de I+D y mercado