Optoelektronika – cz.I –Źródła światła

Literatura uzupełniająca:

1.B.E.A. Saleh, M.C.Teich – Fundamentals of Photonics –

Prowadzący:

dr hab. inŜ. Marcin Lipiński – AGH C-3, pok 514,tel.: 12 617 30 20

e-mail: mlipinsk@agh.edu.pl

1

1.B.E.A. Saleh, M.C.Teich – Fundamentals of Photonics –Wiley 2007.

2. J.Siuzdak – Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej – WKŁ 1999.

2. K.Booth – Optoelektronika – WKŁ 2001.

3. G.Einarsson – Podstawy telekomunikacji światłowodowej – WKŁ 1998.

Definicje

Optoelektronika – dziedzina techniki (optyka,elektronika), wykorzystująca specyficznewłaściwości światła do realizacji operacjipozyskiwania, gromadzenia, przetwarzania iprzesyłania sygnałów informacyjnych.

Fotonika – interdyscyplinarna dziedzina nauki itechniki (optyka, elektronika informatyka) mającana celu opracowanie technik i urządzeń zwykorzystujących promieniowanie EM (pozapasmem radiowym) słuŜących przenoszeniu iprzetwarzaniu informacji.

Opis i teorie światła

1. Optyka promienista – I.Newton, P.Fermat (odbicie i załamanie światła)

2. Optyka falowa – Ch.Huyghens, T.Young dyfrakcja i interferencja

3. Optyka elektromagnetyczna – J.Maxwell fala EM, równania Maxwella

Mechanizm przewodzenia w półprzewodnikach

1. Dyfuzja – niezbędny grad [n]

2. Unoszenie – niezbędne pole E

Światło i nośniki - oddziaływaniaŚwiatło i nośniki - oddziaływania

1. Absorpcja - fotogeneracja pary elektron-dziura

2. Emisja – rekombinacja promienista pary elektron-dziura

Oddziaływania między światłem a nośnikami

absorpcja światła

Rekombinacja promienista

Ec emisja światła

Generacja pary elektron-dziura

Pasmo przewodzenia

Eg

światła Ev

gEhE ≥⋅= νλ

W obydwu oddziaływaniach obowiązuje związek Plancka

h = 4,135 667 443 ·10–15 eV⋅s

Pasmo podstawowe

Jak doprowadzić do rekombinacji promienistej ?

Działanie LED i lasera półprzewodnikowego opiera się na przepływie prądu dyfuzyjnego przez złącze p-n

gEch

h ≅⋅=⋅λ

νP

dyfuzja

rekombinacjapromienista

vcg EEE −=Ec

F

6

p n

gEh ≅=⋅λ

ν

[ ]mEE

ch

gg

µλ 24,1=⋅≅

Pλ

dyfuzja

promienista

Model pasmowy złącza przewodzącego

Ev

Repetitio est mater studiorum

Rekombinacja ma charakter spontaniczny- LED

Źródła światła – c.d.

Warunkiem koniecznym rekombinacji promienistej jest prosta przerwa energetyczna w półprzewodniku

Ec Ec

Prosta przerwa energetyczna Skośna przerwa energetyczna

Ev Ev

EgEg

k→

h

ppk

→→

→

==π2

hWektor falowy λ

π2=k

k→

Optoelektronika – wybrane materiały

Pierwiastek/związek materiał Eg [eV] λ [µm] µe µh przerwa

Pierwiastki C 5.47 0.23 1800 1200 SGe 0.66 1.88 3900 1900 SSi 1.12 1.1 1500 450 S

IV-IV SiC 2.99 0.42 400 50 SIII-V AlSb 1.58 0.79 200 420 S

GaSb 0.72 1.72 5000 850 PGaAs 1.42 0.87 8500 400 PGaAs 1.42 0.87 8500 400 PGaP 2.26 0.55 110 75 SInSb 0.17 7.3 80000 1250 PInAs 0.36 3.44 33000 460 PInP 1.35 0.92 4600 150 P

II-VI CdS 2.42 0.51 340 50 PCdSe 1.7 0.73 800 PCdTe 1.56 0.8 1050 100 PZnS 3.68 0.34 5 5 P

IV-VI PbS 0.41 3.02 600 700 SPbTe 0.31 4 6000 4000 S

Źródła światła - materiały

materiał λ [µm]

GaN 0.35

AlGaInP 0.65-0.68

Ga0.5In0.5P 0.67

Ga1-xAl xAs 0.62-0.9Ga1-xAl xAs 0.62-0.9

GaAs 0.9

In0.73Ga0.27As0.58 P0.42 1.31

In0.58Ga0.42As0.9 P0.1 1.55

Są to związki pierwiastków III i V grupy okresowej III grupa – B, Al, Ga, In ; V grupa – N, P, As.

Równanie bilansu LED

Nth

RspR

Vq

I

⋅ Vq

Ii

⋅⋅η

Prąd upływu

RspRnr

τN

Gdt

dNRG

dt

dNgenrecgen −=−= lub

nrspreci

gen RRRVq

IG +=

⋅⋅= ;

η

Model pasmowy heterozłącza

pn

Pλ

łatwa dyfuzja elektronów

GaAs

GaAsAlGaAs

AlGaAs

Obszar aktywny

11

brak dyfuzji dziur

Heterozłącze pozwala na lokalizację obszaru rekombinacji i dyfuzję wyłącznie elektronów

LED – konstrukcje światłowodowe

światłowód

metal metal

n-GaAs

n-GaAs

p-GaAsp-AlGaAsp+-GaAs

n-AlGaAsObszar

rekombinacji promienistej

katoda

12

metalp+-GaAs

SiO2

Heterozłączowa dioda Burrusa

promienistejanoda

Właściwości uŜytkowe LED

Pλ[mW]

10

8

6

= AdPλεNachylenie:

13

I[mA]

100 200

2

4

Charakterystyka robocza LED

=W

A

dI

dP

led

λεNachylenie:

Właściwości uŜytkowe LED – c.d.

Pλ[mW]

10

8

6

TWM≅ -1%/°C

14

T[°C]

50 100

2

4

Właściwości termiczne -Pλ=f(T)I=const

Pλ(λ)

T1< T2< T3

Właściwości uŜytkowe LED – c.d.

∆λFWHM - 40÷100 nm

15

λ[µm]

0.85 0.9

ZaleŜność widma od temperatury

Pasmo modulacyjne LED

( )cm

m fjfH

τπ ⋅⋅⋅+=

21

1

Odpowiedź częstotliwościową wyraŜa:

Stąd moduł to:

16

Stąd moduł to:

( )( )221

1

cm

mf

fHτπ ⋅⋅⋅+

=

cdBf

τπ ⋅⋅=

2

33Częstotliwość graniczna:

Charakterystyka modulacyjna LED

|H(fm)|

0.5

1

17

ff3dB

Jest to typowa charakterystyka dolnoprzepustowa

LED – właściwości uŜytkowe – c.d.

I okno transmisyjne II okno transmisyjne

Zakresy długości fali λ 800÷900 nm 1250÷1350 nm

Szerokość widmowa ∆λ 40÷50 nm 70÷100 nm

Poziomy mocy Pλ < 300 µW < 100 µW

Pasmo modulacyjne < 100 MHz < 500 MHzPasmo modulacyjne < 100 MHz < 500 MHz

Koszt 20÷50 $ 100÷200 $

Zastosowania Połączenia lokalne o niewielkiej lub

średniej przepływności; sprzężenie ze

światłowodem wielomodowym

p

n

Ec

EvF

Złącze zdegenerowane – akcja laserowa

Brak polaryzacji

pn

Ec

EvF

Złącze przewodzące

Wzmocnienie optyczne - rekombinacja wymuszona !

Fc

Fv

Emisja wymuszona

Przy duŜej gęstości wstrzykiwania występuje efekt emisji wymuszonej – nośniki w stanie pobudzenia oczekują na rekombinację, którą inicjuje foton światła o zgodnej długości fali (warunek Plancka) i tym samym kierunku propagacji –światło jest spójne (koherentne).

Ec

Eν SprzęŜenie zwrotne

Światło propagujące w aktywnym ośrodku ulega wzmocnieniu.

SprzęŜenie zwrotne - rezonator Fabry-Perrot

M1 M2

L

n0nGaAs

L

Rezonans wielokrotny dla warunku:

m

GaAsnmL

λ⋅⋅= 2

m: 1,2,3…..

Odbicie Fresnela na granicy powietrze Ga As, R2 ≅ 0.3

Zasada działania lasera

Przyrost energii na długości ośrodka aktywnego zaopatrzonego w rezonator Fabry-Perrot.

+E

( ) LgeREEE ⋅−⋅⋅=∆+ α22

W stanie równowagi ∆E=0+EW stanie równowagi ∆E=0

RL

g ln1 ⋅−= α

Wzmocnienie pokrywa absorpcję i straty na zwierciadłach rezonatora.

Model optyczny

światło

Np Np+∆ Np

g

pompowanie

∆ z

Ośrodek aktywny

światło

∆ z

Oddziaływanie fotonów z nośnikami

Efekt laserowy występuje dopiero powyŜej pewnej progowej wartości prądu !!!!

Akcja laserowa – c.d.

Zjawiska:a)Rekombinacja promienista spontanicznab)Absorpcja promieniowania (generacja par)c)Rekombinacja wymuszona

Warunek wzmocnienia optycznego:

Przykładowe kryterium Bernarda-Duraffourga :

gvc EhFF >⋅>− ν

Warunek wzmocnienia optycznego:Rekombinacja wymuszona > absorpcji

Pierwsze konstrukcje to złącza o zdegenerowanych poziomach domieszkowania + duŜe gęstości prądu złącza.

Równania bilansu lasera

Nth

R

Vq

I

⋅ Vq

Ii

⋅⋅η

Prąd upływu Rst

RspRnr

stnrsprec RRRR ++=

pgi Ngv

N

Vq

I

dt

dN ⋅⋅−−⋅⋅=

τη

Równania bilansu lasera – c.d.

pgi Ngv

N

Vq

I

dt

dN ⋅⋅−−⋅⋅=

τη

Dla koncentracji elektronów:

Dla koncentracji fotonów:Dla koncentracji fotonów:

p

pspspst

p NRR

dt

dN

τβ −⋅⋅Γ+⋅Γ=

Γ spβ- confinement factor; - wsp. emisji spontanicznej;

Charakterystykaprzejściowa F-P

λ

Widmo lasera z rezonatorem Fabry-Perrot

G(λ)

|H(λ) |

Wzmocnienie optyczne

Widmo emitowane

λ

λλm λm-1λm+1λm+2

P(λ)

Laser półprzewodnikowy - konstrukcja

Laser paskowy – podwójne heterozłącze

SiO

metalGaAs InGaAsPAlGaAs InP

0.85 µm 1.31µmanoda

28

n+

n

pp

p+

SiO2

katoda

GaAs InGaAsP

GaAs InP

GaAs InGaAsPAlGaAs InP

AlGaAs InP

metalE

Laser hetorozłączowy – model pasmowy

GaAs GaAs

AlGaAsGaAs- obszar aktywny

AlGaAs

Ec

29

GaAs GaAs

n p

Dodatkowo zachodzi: AlGaAsGaAs nn >

Ev

Uzyskuje się duŜe koncentracje nośników i fotonów.

Charakterystyka robocza lasera

T1 < T2 < T3Pλ

Emisja wymuszona (laser)

Emisja

30

I th1 I th2 I th3

I

(laser)Emisja spontaniczna (LED) Nachylenie -ε ≅ 0.2 W/A

ZaleŜność progu od temperatury

( )c

thth T

TITI

∆= exp0

Ith0 – prąd w temperaturze T0

T – temperatura charakterystyczna

31

Tc – temperatura charakterystyczna

dla 850 nm –Tc ≅ 150 ° K

dla 1310 nm –Tc ≅ 50 ° K

TWM ≅ - (5÷10) %/ ° K

Konstrukcje specjalne laserów

Wyłącznie pracujące w II oraz III oknie lasery jednomodowe DFB i DBR o szerokości spektralnej w przedziale ∆λ - 0.001- 0.1 nm.

DuŜą sprawność, niski próg i szerokie pasmo modulacyjne zapewnia struktura ze studniami

32

modulacyjne zapewnia struktura ze studniami kwantowymi.

Lasery precyzyjne z izolatorem i chłodzeniem ogniwami Peltier.

DBR – Distributed Bragg Reflector

Selektywne zwierciadło Bragga

Wnęka rezonatora optycznego

Zwierciadło Fresnela Bragga

n1 n1 n2n2

λ/4λ/4 λ/4

Siatka Bragga

Zwierciadło Bragga wyróŜnia tylko jeden mod wzdłuŜny !!

DFB – Distributed Feed-Back

Wnęka rezonatora optycznego

Powłoka antyrefleksyjna

Powłoka antyrefleksyjna

W laserach DFB wyróŜniony tylko jeden mod wzdłuŜny !!!

Struktura MQW – Multi-Quantum Well

W obszarze aktywnym wytwarza sięwielowarstwową strukturę studni kwantowych

-- -- - -- -Ec

Rekombinacjapromienista

EcW

+ ++++++Ev

promienista

Struktura pasmowa MQW

EvW

Laser MQW ma małą wartość prądu progowego, duŜe nachylenie charakterystyki roboczej ε, małą zaleŜność prądu progowego od temperatury.

Typowe parametry laserów CW

AlGaAs (I) InGaAsP (II) InGaAsP (III)

λ 0.85µm 1.31µm 1.55µm

Pλ 0÷25dBm -10÷+10dBm -3÷+10dBm

∆λ 3-6nm 0.1-6nm 0.01-7nm

36

∆λ 3-6nm 0.1-6nm 0.01-7nm

I th 40-60mA 5-10mA 3-10mA

TWIth 3-5%/°K 6-10%/°K 8-11%/°K

ε ≅ 0.2 W/A ≅ 0.5 W/A ≅ 0.6 W/A

Bmod 1GHz 2-3GHz > 10 GHz

Zasilanie laserów CW

Z uwagi na duŜą wraŜliwość mocy emitowanej od temperatury, kaŜdemu laserowi we wspólnej obudowie towarzyszy detektor monitorujący.

37

Chip lasera

podstawa Cu

Monitorświatłowód

Soczewka GRIN

Bezpośrednia modulacja lasera Imod→→→→ Pmod

Pλ

Punkt pracy

P0Pmod I0

Układ stabilizacji

mocy

38

I0I

Imod

I0

Imod

Laser

Rs

C

Bezpośrednia modulacja lasera – c.d.

Zalety:

•Prostota układowa

•Niski poziom sygnału modulującego

Wady:

•ZaleŜność

•Ograniczone pasmo modulacyjne

( )MODIf=λ

modulującego

•Niski koszt

modulacyjne

•Konieczność pracy ponad progiem

( ) thMOD ItI >

Charakterystyka modulacyjna lasera

|H(fm)|

1

I0’< I 0

’’ < I 0’’’

40

ffrel’

0.5

frel – relaksacja (rezonans), im większy prąd podkładu I0 tym większa wartość

frel’’ f rel’’’

Zewnętrzna modulacja sygnału świetlnego

I0

Imod lub Umod

Laser

Układ stabilizacji

mocy

P =P

41

Laser

Mo

nito

r

P0λ=const.

Modulator intensywności

Pλ=Pmod

Modulatory:

a/ Elektro-Opt.; b/ Magneto-Opt.; c/ Elektro-Absorp.

Zewnętrzna modulacja światła – c.d.

Zalety:

•Wąskie widmo ∆λ

•Najszersze pasma modulacyjne

Wady:

•Komplikacja

•Niedogodne sterowanie modulatoramodulacyjne sterowanie modulatora

•Wysokie koszty

Stabilizacja parametrów lasera

W zaleŜności od wymagań technicznychsystemu transmisyjnego stosuje sięnastępujące układy stabilizującewarunki pracy i parametry lasera:

1) Stabilizacja mocy wyjściowej Pλ

2) Stabilizacja temperatury pracy

3) Stabilizacja długości fali λ

Układ stabilizacji mocy lasera CW

MonitorLaserUref Pλ

44

Rmon

monmon

ref

monmonRref

RS

UP

RSPUU

⋅=

⋅⋅==

λ

λUR

Układ stabilizuje średnią moc lasera !!

Stabilizacja temperatury – zasada działania

IREFOgniwo Peltier

Uref

Q

Laser

45

PTCPTCREFPTCref RIUU ⋅==UPTC

Stabilizowana jest temperatura czujnika PTC !!!

Gdzie RPTC jest opornością w Ŝądanej temperaturze

Chip laseraMonitor 1

ŚwiatłowódGRIN + izolator

Etalon λ

Precyzyjny laser telekomunikacyjny

46Monitor 2 Ogniwo PeltierCzujnik PTC

Cu

Stabilizacja λλλλ – zasada działania

Etalon λ – rezonator Fabry-Perrot

ln

c

ln

cmlnm m

m

⋅⋅=∆

⋅⋅⋅=⋅=⋅

2;

2;

2ννλ

Porównuje się moc światła przed i za etalonemPorównuje się moc światła przed i za etalonem

Charakterystyka przejściowa etalonu

λ

|H(λ) |

0.5

λx

1 Długość fali λreguluje się temperaturą lasera.

Szum światła w laserze

Szum intensywności – Relative Intensity Noise

Szum śrutowy – kwantowość emisji

Szum modowy – Mode Partition Noise lub Mode Competition NoiseMode Competition Noise

Szum oddziaływania wstecznego – Optical Feed-Back Noise

Szum fazy – szum koherencji