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OPTOELECTRÓNICA:Logros y perspectivas
¿ Por qué OPTO...?
POSIBILIDADESDE LA LUZ APLICACIONES
• Generación fotovoltaica
• Procesado, impresión,…
• Instrumentación y control
• Vídeo y fotografía
• Visión nocturna
• Sensores
• Visualizadores
• Almacenamiento óptico
• Comunicación óptica
• Investigación
Rapidez ( 3·108 m/s )
Posibilidad de enfoque
Visible para 0.4 - 0.7 m
Detección a distancia
Variedad de
Energía solar
Inmune a perturbaciones
Formación de imágenes
Modificación de materiales
Interacción selectiva
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
h (eV)3 1.6 0.8
(m)0.4 0.7 1.6
visible comunicación
UV NIR MIR
sensores yprocesado IR
térmico
Longitudes de onda de interés
GaPSiC GaAs Si GeEg (eV)
Visible y NIR Eg de los semiconductores
Semiconductoresinteracción con la luz
Recombinación emisiónGeneración e- h detección
¿ Por qué ...electrónica ?
Prestaciones:
• Bajo coste
• Rapidez eléctrica
• Bajo consumo
• Pequeño tamaño
• Fiabilidad
fotón h >Eg
electrón
hueco +
-
h
BC
BV
I
Eg fotón h =Eg
hueco +
electrón-BC
BV
Eg
“electrónicas” o específicasAplicaciónes:
Introducción
Fotodetectores: receptores, lectores y sensores
Perspectivas y conclusiones
Guión
Los diodos láser y sus aplicaciones
Los LED: los emisores más sencillos
Cámaras digitales
Qué semiconductores utilizamos
Motivación
Qué semiconductores utilizamos
Absorción banda a banda
semicond. directos semicond. indirectos
Para h > Eg absorcion de la luz
atenuación : (x) = (0)·exp(-x)
= coef. de absorción; L = 1/
muy probable (L 1m) poco probable (L 100 m)
• Lo importante es que <1.24/Eg
• …Pero en ambos casos ocurre
• Para 1.3 y 1.55 m: Ge o GaInAs
• El silicio vale para < 1.1 m
Emisión de luz
• directo• Eg h • ’s intermedia?• evitar R no radiativa
aleaciones un semic. para cada
buena calidad
semic. III-V (difícil para «)
¿Qué semiconductor ?Ge 0.7 ISi 1.1 I
InAs 0.4 DInP 1.4 D
GaAs 1.5 DGaP 2.3 I*AlAs 2.4 I
semic. Eg (eV)
III-V
IV
semiconductores directos semiconductores indirectos
Recomb. radiativa probableposible emisión
Recomb. no radiativano emisión
Diodos emisores de luz (LEDs)Los emisores más sencillos
•Inyección de corriente
•Popt = · IF
•Recombinacion (b-b o d-b)
Características: ej.: GaAs
VF ~ 1.2 V
kT ~ 30 nm
Para b-b, ~ g 0.9m
f ~ 1/ < 100 MHz
Alta fiabilidad
LED de visible
visibilidad
colores
• Difícil : grande y corta
• Deseable para:
• Respuesta visual:
material tipo substr. color
GaAs D IR
GaInN D+imp& blanco
LED de visible
GaAsP D
año70 80 90
100
10
1
Lm/W
AlGaInP D AlGaAs D GaAsP: N I+ imp GaP: N I+ imp GaP: ZnO I+ imp
GaInN D+imp
Aplicaciones de los LED de visible
Coste deoperación
instalación
3 - 5 años tiempo
LED
incandescente
LED de infrarrojo (IRED)
• GaAs: 0.95 m 1 MHz
• AlxGa1-xAs/GaAs: 0.85 m 100 MHz • GaInAsP/InP: com.ópticas 100 MHz
GaAsAlGaAs AlGaAs
Ec
Ev
Introducción
IR cercano: CDs y láseres de potencia
Visible: DVDs y láseres de nitruros
Comunicación por fibra óptica
Fotodetectores
Perspectivas y conclusiones
Los diodos láser y sus aplicaciones
WDM: multiplicando la capacidad de la fibra
Micro-óptica y laseres de cavidad vertical
Los LED: los emisores más sencillos
Cámaras digitales
Qué es un láser
electrónBC
BV
hh
Fotónh = E2-E1
E2
E1
Emisión estimulada
amplificación de luz
t < t espontaneo
coherencia
Inversión de población
absorcion < em. estim.
requiere bombear electrones
Realimentación óptica
cavidad resonante
inyección umbral
Diodos láserFuncionamiento
• Corriente umbral
• Eficiencia
• Potencia
• Rapidez
• “Monocromáticidad”
• Estabilidad
• Fiabilidad
Diodos láserEstructura
Zona activaQW (tensado)• amplificación
Guia de ondas(n1 > n2)• realimentación• confina e-h
“Cladding”p+ , n+• inyeccion• confinar luz
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 m altas prestaciones (GaInAs)
Láseres de cavidad vertical (AlGaAs)
Láseres de AlGaAsLectores 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
Laser printer
potencia moderadaLáseres de AlGaAs
Alta potencia: “arrays” y “stacks”Láseres de AlGaAs
¿ 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
Bombeo de láseres de estado sólido
Aplicaciones de diodos láser de alta potencia
Aplicaciones industriales
Diodos láser de visible
Interés: visible, menor Materiales: GaInP 670 nm
AlGaInP 630 nm
Color: rojo V630nm > V670nm
Aplicación: punteros
instrumentación
códigos de barras
lectores ópticos (DVD)
(visible)
(menor )
Diodos láser de visible
Diodos láser de visible
DVD
Dic. 94 Sony y Philips anuncian el MM-DCEn. 95 Toshiba y otros anuncianel SuperDensityDic.95 acuerdo: DVD (Digital Versatil Disk)Abril 97 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) ( x 1.5 )Datos/puntos: x 1.5
Datos: x 7650 nm, 5mW
Láseres violeta: GaN
Dificultades tecnológicas
Nakamura et al. (1996, 1999)
p Ptip Ith VF
0.4 m 5 mW 45 mA 5V
• instrumentación científica• nuevos DVD ?
APLICACIONES
La fibra óptica
• Optica guiada n1>n2
• Monomodo o multimodo
• Dispersión
• Atenuación
• 1a ventana: 0.9 m
• 2a ventana: 1.3 m
• 3a ventana: 1.55 m
Emisores para fibra óptica
•Minimizar atenuacion
•Minimizar dispersion
•Rapidez
•Eficiencia
•Fiabilidad
•Acoplamiento a fibra
Emisores para fibra óptica
Inserción en fibra
• alineamiento
• acoplamiento
• estrategias de micro-óptica
Respuesta en frecuencia
• > 10 GHz
• eliminar RC parásitas
• IF f3dB
Emisores para fibra ópticaLáseres monomodo
Comunicación óptica a larga distanciamodal
espectral Fibras monomodo láseres monomodo
en la fibra “dispersión”
DFB
DBR
Amplificadores opticosFibra óptica dopada con erbio (EDF)
• Comunicación óptica a larga distancia atenuación necesidad de amplificadores
O/E E/O
óptico ópticoeléctrico
ARepetidores
eléctricosRetardosRuido de conversión
D 75Km
óptico
AAmplificadores
ópticos
EDFA: ganancia en 1.55 m
Alta gananciaRapidezBajo ruido
BOMBEO
Bombeo con láser
980 nm o 1480 nm
WDM vs TDM
Multiplexación pordivisión 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
2
4
6
8
10
1999 2001 2003
año
Mile
s d
e eq
uip
os
WDM en 1999
EEUU y Canadá 83%
Europa occidental
13%
Asia y Pacífico
4% Resto del mundo0%
Larga distancia
91%
Corta distancia
7%
Empresas2%
WDM en 2003
EEUU y Canadá 59%
Europa occidental
23%
Asia y Pacífico 13%
Resto del mundo5%
Larga distancia
65%
Corta distancia
30%
Empresas5%
WDM en cifras
Evolución del WDM
WDM
SONET/SDH
Laseres de cavidad vertical
•Reflectores de Bragg GaAs/AlAs•Monomodo•Haz circular•Matrices 2D•Acoplamiento a fibra•Buses opticos en 1a v.
array de VCSELs = 850 nm 0.8 mW
200 Mbit/s
10 x 2 canales4 Gbit/s
dmax = 300 m
array de PDsBER > 10E-14
(1995)
Introducción
Fotodetectores
Perspectivas y conclusiones
Los diodos láser y sus aplicaciones
Los LED: los emisores más sencillos
Cámaras digitales
Fotodidodos de Si: IrDA, sensores y otros
Receptores para fibra óptica
•Receptores: FO, control remoto
•Lectores: CD - DVD - código de barras
•Sensores: presencia, composición
•Monitores: control de láseres
•Cámaras: vídeo, visión nocturna
TIPOS
fotoeléctricos
térmicos
dispositivos de vacío
semiconductores
fotoconductores
fotodiodos
Fotodetectores
cámaras
Células fotovoltaicas Fotodiodos
+ -Vph
iph
Como batería... Como detector: ip
Fotodiodos (PDs)
Optimizar: señal / ruido (ip, i0 )rapidezlinealidad
Fotogeneración en una unión PN
ZCE: G arrastre n : G difusión arrastre p : G difusión arrastre recomb.
x
Popt (1-R)
P(x) = Popt(1-R)e-x
G(x) = ·P(x)/A
I(V;) = I(V;0) - Iph
Modo Fotoconductivo Modo Fotovoltaico
Polarización inversa
Características I(V) de los PDs
FotoconductorI
V=0
>0
i = i0(exp(V/nVT)-1) - iph
v=0 i = - iph Popt
i = - (i0 + iph)
i=0 v vT·ln(iph/i0)
Respuesta espectral de los PDs
• S(A/W) ·• directos vs. indirectos
• límite cortas
• visible: 0.4-0.7 m
FO: 1.3, 1.55m
Nd:YAG: 1.064 m
IR térmico: 3 - 5 , 8 -14 m
GaInAs
GaAs-IRED:0.9mSi
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 OptoacopladoresSensores Proximidad Composiciones Detección remota Interferométricos En guía de onda
Comunicación IR: protocolos IrDA
• 9600-115 Kb/s (IrDA1.0), y hasta 4Mb/s (IrDA1.1)
• Hasta 8 “periféricos”• Bajo coste. Bajo consumo. Bidireccional
LED + PD = 850 - 900 nm
trise < 80 nsP = 0.4 -1250 W/cm2
d 2 m . BER = 10-4
Fotodiodos para comunicación
sólo arrastre rapidez
« fuera de la ZCE
(iluminación por detrás)
no recomb. superficial
OJO: ajuste parámetros de red
GaInAs/InP
Rango: 0.9 - 1.7 m
Receptores de GaInAs: optimización de la f3dB
*= 1- exp(-W)
W < 0.35·v / f3dB
A < 0.16·W / (·RL·f3dB)tiempo de carga
= RLC
tiempo de tránsito = v·W
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)
•Multiplicación por avalancha
• Ganancia exp (- e W)
e(campo eléctrico)
Fotodiodos de avalancha
Estructuras SAM
Receptores: GaInAs/InP PDs
Aplicaciones de baja señal
G · (señal) PD
G·M·(ruido)PD
___________________________________
+ (ruido)CIRC
SNR=
Fotodiodos en guía de ondas
Ventaja: disociar y posible: ·f3dB >20 GHz
Dificultad : acoplar la luz
• Integración monolítica con guía de onda pasiva (guía de entrada)
• Acoplamiento de campo evanescente a la guía activa
Ejemplo:
=1.55 m f3dB=45 GHz=0.22 A/W (1998)
CCD y CMOS
Cámaras para IR térmico
Introducción
Fotodetectores
Perspectivas y conclusiones
Los diodos láser y sus aplicaciones
Los LED: los emisores más sencillos
Cámaras digitales
Cámaras CMOS con convertidores A/Den cada pixel (Kodad, Canon, HP & Intel, 1998)Tecnología 0.35 umpixels 9um x 9um y 25% “fill factor”
ventajas: menor ruido, menor consumo, simplificación del diseño y fácil escalabilidad
Cámaras CMOS
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
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