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OPTOELECTRÓNICA:Logros y perspectivas
¿ Por qué OPTO...?POSIBILIDADES
DE 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 µm
Detección a distancia
Variedad de λ
Energía solar
Inmune a perturbaciones
Formación de imágenes
Modificación de materialesInteracción selectiva
••
•
•
••
•
••
•
hν (eV)3 1.6 0.8
λ (µm)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 hν >Eg
electrón
hueco +
-
hν
BC
BVI
Eg fotón hν =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 hν > Eg ⇒ absorcion de la luz⇒ atenuación : φ(x) = φ(0)·exp(-αx)α = coef. de absorción; L = 1/α
muy probable (L ≈1µm) poco probable (L ≈100 µm)
• Lo importante es que λ<1.24/Eg• …Pero en ambos casos ocurre
• Para 1.3 y 1.55 µm: Ge o GaInAs• El silicio vale para λ < 1.1 µm
Emisión de luz
• directo• Eg ≈ h ν• λ’s intermedia?• evitar R no radiativa
⇒ aleaciones⇒ un semic. para cada λ
⇒ buena calidad
⇒ semic. III-V (difícil para λ «)
¿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 = η· IF
•Recombinacion (b-b o d-b)
Características: ej.: GaAsVF ~ 1.2 V
∆λ ∝ kT ~ 30 nm
Para b-b, λ ~ λg 0.9µm
f ~ 1/τ < 100 MHz
Alta fiabilidad
LED de visible
↑ visibilidad↑ colores
• Difícil : η grande y λ corta
• Deseable para:
• Respuesta visual:
material tipo substr. colorGaAs 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+ impGaP: 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 µm ∼ 1 MHz
• AlxGa1-xAs/GaAs: 0.85 µm ∼ 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
En qué se basa el láser
electrónBC
BV
hνhν
Fotónhν = E2-E1
E2
E1
Emisión estimulada• amplificación de luz
• t < t espontaneo
• coherencia
Inversión de población• absorcion < em. estim.• requiere bombear electrones
electrónBC
BV
hνhν
Fotónhν = E2-E1
E2
E1
Qué es un láser
Amplificador óptico coherente
con realimentación óptica• cavidad resonante• inyección umbral(inversión 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 µm 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 λMateriales: GaInP λ ≈ 670 nm
AlGaInP λ ≈ 630 nm Color: rojo V630nm > V670nm
Aplicación: punterosinstrumentacióncódigos de barraslectores ópticos (DVD)
(visible)
(menor λ)
Diodos láser de visiblelectores de códigos de barras
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) (↓ λ ⇒ x 1.5 )Datos/puntos: x 1.5 650 nm, 5mW
⇒ Datos: x 7
Láseres violeta: GaNDificultades tecnológicas Resultados: Nakamura (1996, 1999)
λp Ptip Ith VF0.4 µm 5 mW 45 mA 5V
• instrumentación científica• nuevos DVD ?
APLICACIONES
La fibra óptica• Optica guiada n1>n2 • Dispersión
• Atenuación• “Ventanas para”:
λ = 0.9, 1.3 y 1.55 µm
• Monomodo o multimodo
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 conversiónD ∼75Km
óptico
AAmplificadores
ópticos
EDFA: ganancia en 1.55 µm
Alta gananciaRapidezBajo ruido
BOMBEO
Bombeo con láser980 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 )interferométricoelectroabsorción
2
4
6
8
10
1999 2001 2003
año
Mile
s de
equ
ipos
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 BraggGaAs/AlAs
•Monomodo•Haz circular•Matrices 2D•Acoplamiento a fibra•Buses opticos en 1a v.
array de VCSELsλ = 850 nm 0.8 mW
200 Mbit/s
10 x 2 canales4 Gbit/s
dmax = 300 m
array de PDsBER > 10E-14
(1995)
array de VCSELsλ = 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
TIPOSfotoeléctricos
térmicos
dispositivos de vacío
semiconductores
fotoconductores
fotodiodos
Fotodetectores
cámaras
Células fotovoltaicas Fotodiodos
+ -Vph
Φ
←⎯iph
Como batería... Como detector: Φ ⇒ ip
Fotodiodos (PDs)
Optimizar: señal / ruido (↑ip, ↓i0 )rapidezlinealidad
Fotogeneración en una unión PN
ZCE: G arrastren : G difusión arrastrep : G difusión arrastre
recomb.
x
Popt (1-R)
P(x) = Popt(1-R)e-αx
G(x) = α·P(x)/A
I(V;Φ) = I(V;0) - Iph
Modo Fotoconductivo Modo Fotovoltaico
Polarización inversa
Características I(V) de los PDs
FotoconductorI
VΦ=0
Φ>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) ∝ η·λ• directos vs. indirectos
• límite λ cortas
• visible: 0.4-0.7 µm
FO: 1.3, 1.55µm
Nd:YAG: 1.064 µm
IR térmico: 3 - 5 , 8 -14 µm
→ GaInAs
GaAs-IRED:≈0.9µmSi
→ otros: InAs, HgCdTe...
Fotodiodos de silicio
Ej: PD Epitaxial
AplicacionesMedición de luz
FotometríaEspectrometríaControl de láseres
Recepción o lectura de datos o señalLectores de CD y DVDBuses ópticosRedes localesControl remoto y comunicación IRLectores de código de barrasOptoacopladores
SensoresProximidadComposicionesDetección remotaInterferométricosEn 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 + PDλ = 850 - 900 nm
trise < 80 nsP = 0.4 -1250 µW/cm2
d ∼2 m . BER = 10-4
Fotodiodos para comunicación
sólo arrastre ⇒ rapidez
α« fuera de la ZCE
(iluminación por detrás)
no recomb. superficial
OJO: ajuste parámetros de red
GaInAs/InP
Rango: 0.9 - 1.7 µm
Receptores de GaInAs: optimización de la f3dB
η*= 1- exp(-αW)W < 0.35·v / f3dBA < 0.16·W / (ε·RL·f3dB)tiempo de carga
τ = RLC
tiempo de tránsitoτ = 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 Preamplificadorde GaAs + Si-IC
• flip-chip↓ tamaño, ↓ consumo↑ fiabilidad
• Acoplo a fibra• SONET OC-48
(2488.32 MHz)
•Multiplicación por avalancha
• Ganancia ≈ exp (- αe W)
αe(campo eléctrico)
Fotodiodos de avalancha
Estructuras SAMReceptores: GaInAs/InP PDsAplicaciones de baja señal
G · (señal) PD
G·M·(ruido)PD
___________________________________
+ (ruido)CIRCSNR=
Fotodiodos en guía de ondas
Ventaja: disociar τ y η→ posible: η·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:
Fotodiodos en guía de ondas
λ =1.55 µm f3dB=45 GHzℜ=0.22 A/W (1998)
Ejemplo:
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