Optoelektronika cz.i Źródła światła

Transkrypt

1 Prowadzący: Optoelektronika cz.i Źródła światła dr hab. inŝ. Marcin Lipiński AGH C-3, pok 514,tel.: Literatura uzupełniająca: 1.B.E.A. Saleh, M.C.Teich Fundamentals of Photonics Wiley J.Siuzdak Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej WKŁ K.Booth Optoelektronika WKŁ G.Einarsson Podstawy telekomunikacji światłowodowej WKŁ

2 Definicje Optoelektronika dziedzina techniki (optyka, elektronika), wykorzystująca specyficzne właściwości światła do realizacji operacji pozyskiwania, gromadzenia, przetwarzania i przesyłania sygnałów informacyjnych. Fotonika interdyscyplinarna dziedzina nauki i techniki (optyka, elektronika informatyka) mająca na celu opracowanie technik i urządzeń z wykorzystujących promieniowanie EM (poza pasmem radiowym) słuŝących przenoszeniu i przetwarzaniu informacji.

3 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

4 Mechanizm przewodzenia w półprzewodnikach 1. Dyfuzja niezbędny grad [n] 2. Unoszenie niezbędne pole E Światło i nośniki - oddziaływania 1. Absorpcja - fotogeneracja pary elektron-dziura 2. Emisja rekombinacja promienista pary elektron-dziura

5 Oddziaływania między światłem a nośnikami Generacja pary elektron-dziura Rekombinacja promienista Pasmo przewodzenia E c absorpcja E g światła Ev Pasmo podstawowe emisja światła W obydwu oddziaływaniach obowiązuje związek Plancka E λ = h ν E g h = 4, ev s

6 Jak doprowadzić do rekombinacji promienistej? Działanie LED i lasera półprzewodnikowego opiera się na przepływie prądu dyfuzyjnego przez złącze p-n E c rekombinacja promienista E v p dyfuzja dyfuzja n P λ Model pasmowy złącza przewodzącego F λ h E g = ν = h E g c E h c λ = c E g E 1,24 v E g [ µ m] Rekombinacja ma charakter spontaniczny- LED Repetitio est mater studiorum 6

7 Źródła światła c.d. Warunkiem koniecznym rekombinacji promienistej jest prosta przerwa energetyczna w półprzewodniku Prosta przerwa energetyczna Skośna przerwa energetyczna E c E c E g E g E v k E v k Wektor falowy k = p h = 2π h p k = 2π λ

8 Optoelektronika wybrane materiały Pierwiastek/związek materiał E g [ev] λ [µm] µ e µ h przerwa Pierwiastki C S Ge S Si S IV-IV SiC S III-V AlSb S GaSb P GaAs P GaP S InSb P InAs P InP P II-VI CdS P CdSe P CdTe P ZnS P IV-VI PbS S PbTe S

9 Źródła światła - materiały materiał λ [µm] GaN 0.35 AlGaInP Ga 0.5 In 0.5 P 0.67 Ga 1-x Al x As GaAs 0.9 In 0.73 Ga 0.27 As 0.58 P In 0.58 Ga 0.42 As 0.9 P Są to związki pierwiastków III i V grupy okresowej III grupa B, Al, Ga, In ; V grupa N, P, As.

10 Równanie bilansu LED q I V Prąd upływu ηi I q V N th dn dt R Rnr = G R lub gen rec I dn dt = G η G = i ; R = R + gen rec sp q V gen R R sp nr N τ

11 Model pasmowy heterozłącza p AlGaAs Obszar aktywny łatwa dyfuzja elektronów GaAs P λ n AlGaAs GaAs brak dyfuzji dziur Heterozłącze pozwala na lokalizację obszaru rekombinacji i dyfuzję wyłącznie elektronów 11

12 LED konstrukcje światłowodowe katoda metal Obszar n-gaas rekombinacji promienistej SiO 2 metal anoda światłowód metal n-gaas n-algaas p-gaas p-algaas p + -GaAs Heterozłączowa dioda Burrusa 12

13 P λ [mw] 10 8 Właściwości uŝytkowe LED dp λ di A W 6 λ Nachylenie: ε = Charakterystyka robocza LED led I[mA] 13

14 Właściwości uŝytkowe LED c.d. P λ [mw] TWM -1%/ C T[ C] Właściwości termiczne - P λ =f(t) I=const 14

15 Właściwości uŝytkowe LED c.d. P λ (λ) T 1 < T 2 < T 3 λ FWHM nm λ[µm] ZaleŜność widma od temperatury 15

16 Pasmo modulacyjne LED Odpowiedź częstotliwościową wyraŝa: H ( f ) m = 1+ 1 j2 π f τ m c Stąd moduł to: H ( f ) m = 1+ 1 ( 2 π f τ ) 2 m c Częstotliwość graniczna: f 3dB = 2 3 π τ c 16

17 Charakterystyka modulacyjna LED H(f m ) f 3dB f Jest to typowa charakterystyka dolnoprzepustowa 17

18 LED właściwości uŝytkowe c.d. I okno transmisyjne II okno transmisyjne Zakresy długości fali λ nm nm Szerokość widmowa λ nm nm Poziomy mocy P λ <300 µw < 100 µw Pasmo modulacyjne < 100 MHz < 500 MHz Koszt $ $ Zastosowania Połączenia lokalne o niewielkiej lub średniej przepływności; sprzężenie ze światłowodem wielomodowym

19 Złącze zdegenerowane akcja laserowa E c E v p F Brak polaryzacji n E c E v p F c F v n F Złącze przewodzące Wzmocnienie optyczne - rekombinacja wymuszona!

20 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). E c Światło propagujące w aktywnym ośrodku ulega wzmocnieniu. E ν SprzęŜenie zwrotne

21 SprzęŜenie zwrotne - rezonator Fabry-Perrot M1 n GaAs M2 n 0 L Rezonans wielokrotny dla warunku: 2 L = m n GaAs λ m m: 1,2,3.. Odbicie Fresnela na granicy powietrze Ga As, R 2 0.3

22 Zasada działania lasera Przyrost energii na długości ośrodka aktywnego zaopatrzonego w rezonator Fabry-Perrot. E + E = E R 2 e 2 ( g α ) L W stanie równowagi E=0 E + g = α 1 L ln R Wzmocnienie pokrywa absorpcję i straty na zwierciadłach rezonatora.

23 Model optyczny pompowanie światło N p Ośrodek aktywny z g światło N p + N p Oddziaływanie fotonów z nośnikami Efekt laserowy występuje dopiero powyŝej pewnej progowej wartości prądu!!!!

24 Akcja laserowa c.d. Zjawiska: a)rekombinacja promienista spontaniczna b)absorpcja promieniowania (generacja par) c)rekombinacja wymuszona Warunek wzmocnienia optycznego: Rekombinacja wymuszona > absorpcji Przykładowe kryterium Bernarda-Duraffourga : F F > h ν > c v Pierwsze konstrukcje to złącza o zdegenerowanych poziomach domieszkowania + duŝe gęstości prądu złącza. E g

25 Równania bilansu lasera q I V Prąd upływu ηi I q V N th R st Rnr R sp R = R + R + rec sp nr R st dn dt = η i I q V N τ v g g N p

26 Równania bilansu lasera c.d. Dla koncentracji elektronów: dn dt = η i I q V N τ v g g N p Dla koncentracji fotonów: dn dt p = Γ R st + Γ β sp R sp N τ p p Γ - confinement factor; β - wsp. emisji spontanicznej; sp

27 Widmo lasera z rezonatorem Fabry-Perrot H(λ) Charakterystyka przejściowa F-P G(λ) λ Wzmocnienie optyczne P(λ) λ Widmo emitowane λ m+2 λ m+1 λ m λ m-1 λ

28 Laser półprzewodnikowy - konstrukcja Laser paskowy podwójne heterozłącze SiO 2 p + p p metal anoda 0.85 µm 1.31µm GaAs InGaAsP AlGaAs InP GaAs InGaAsP AlGaAs InP n GaAs InP E katoda n + metal 28

29 Laser hetorozłączowy model pasmowy GaAs- obszar aktywny AlGaAs AlGaAs E c GaAs GaAs E v n p Uzyskuje się duŝe koncentracje nośników i fotonów. Dodatkowo zachodzi: n > GaAs n AlGaAs 29

30 Charakterystyka robocza lasera P λ T 1 < T 2 < T 3 Emisja spontaniczna (LED) Emisja wymuszona (laser) Nachylenie - ε 0.2 W/A I th1 I th2 I th3 I 30

31 ZaleŜność progu od temperatury I th ( T ) = I exp th0 I th0 prąd w temperaturze T 0 T T c T c temperatura charakterystyczna dla 850 nm T c 150 K dla 1310 nm T c 50 K TWM - (5 10) %/ K 31

32 Konstrukcje specjalne laserów Wyłącznie pracujące w II oraz III oknie lasery jednomodowe DFB i DBR o szerokości spektralnej w przedziale λ nm. DuŜą sprawność, niski próg i szerokie pasmo modulacyjne zapewnia struktura ze studniami kwantowymi. Lasery precyzyjne z izolatorem i chłodzeniem ogniwami Peltier. 32

33 DBR Distributed Bragg Reflector Wnęka rezonatora optycznego Zwierciadło Fresnela Selektywne zwierciadło Bragga n 1 n 2 n 1 n 2 λ/4 λ/4 λ/4 Siatka Bragga Zwierciadło Bragga wyróŝnia tylko jeden mod wzdłuŝny!!

34 DFB Distributed Feed-Back Wnęka rezonatora optycznego Powłoka antyrefleksyjna Powłoka antyrefleksyjna W laserach DFB wyróŝniony tylko jeden mod wzdłuŝny!!!

35 Struktura MQW Multi-Quantum Well W obszarze aktywnym wytwarza się wielowarstwową strukturę studni kwantowych E c E cw E vw E v Rekombinacja promienista Struktura pasmowa MQW Laser MQW ma małą wartość prądu progowego, duŝe nachylenie charakterystyki roboczej ε, małą zaleŝność prądu progowego od temperatury.

36 Typowe parametry laserów CW AlGaAs (I) InGaAsP (II) InGaAsP (III) λ 0.85µm 1.31µm 1.55µm P λ 0 25dBm dBm dBm λ 3-6nm 0.1-6nm nm I th 40-60mA 5-10mA 3-10mA TWI th 3-5%/ K 6-10%/ K 8-11%/ K ε 0.2 W/A 0.5 W/A 0.6 W/A B mod 1GHz 2-3GHz > 10 GHz 36

37 Zasilanie laserów CW Z uwagi na duŝą wraŝliwość mocy emitowanej od temperatury, kaŝdemu laserowi we wspólnej obudowie towarzyszy detektor monitorujący. światłowód Chip lasera Monitor Soczewka GRIN podstawa Cu 37

38 Bezpośrednia modulacja lasera I mod P mod P λ Punkt pracy Układ stabilizacji mocy P P mod 0 I 0 R s I mod I 0 I mod I Laser C 38

39 Bezpośrednia modulacja lasera c.d. Zalety: Wady: Prostota układowa ZaleŜność λ = f ( ) I MOD Niski poziom sygnału modulującego Niski koszt Ograniczone pasmo modulacyjne Konieczność pracy ponad progiem MOD ( t) Ith I >

40 Charakterystyka modulacyjna lasera I 0 < I 0 < I 0 H(f m ) f rel f rel f rel f f rel relaksacja (rezonans), im większy prąd podkładu I 0 tym większa wartość 40

41 Zewnętrzna modulacja sygnału świetlnego Układ stabilizacji mocy I 0 I mod lub U mod Monitor Laser P 0λ =const. Modulator intensywności P λ =P mod Modulatory: a/ Elektro-Opt.; b/ Magneto-Opt.; c/ Elektro-Absorp. 41

42 Zewnętrzna modulacja światła c.d. Zalety: Wąskie widmo λ Najszersze pasma modulacyjne Wady: Komplikacja Niedogodne sterowanie modulatora Wysokie koszty

43 Stabilizacja parametrów lasera W zaleŝności od wymagań technicznych systemu transmisyjnego stosuje się następujące układy stabilizujące warunki pracy i parametry lasera: 1) Stabilizacja mocy wyjściowej P λ 2) Stabilizacja temperatury pracy 3) Stabilizacja długości fali λ

44 Układ stabilizacji mocy lasera CW U ref Laser P λ Monitor U P λ ref = = U S R U mon ref = R P λ mon S mon R mon R mon U R Układ stabilizuje średnią moc lasera!! 44

45 Stabilizacja temperatury zasada działania U ref Ogniwo Peltier Laser Q I REF U ref = U PTC = I REF R PTC Gdzie R PTC jest opornością w Ŝądanej temperaturze U PTC PTC Stabilizowana jest temperatura czujnika PTC!!! 45

46 Precyzyjny laser telekomunikacyjny Światłowód GRIN + izolator Etalon λ Chip lasera Monitor 1 Cu Monitor 2 Ogniwo Peltier 46 Czujnik PTC

47 Stabilizacja λ zasada działania Etalon λ rezonator Fabry-Perrot m λ m 2 = n l ; ν m = m 2 c n l ; ν = 2 c n l Porównuje się moc światła przed i za etalonem H(λ) 1 Długość fali λ 0.5 reguluje się λ x λ temperaturą lasera. Charakterystyka przejściowa etalonu

48 Szum światła w laserze Szum intensywności Relative Intensity Noise Szum śrutowy kwantowość emisji Szum modowy Mode Partition Noise lub Mode Competition Noise Szum oddziaływania wstecznego Optical Feed-Back Noise Szum fazy szum koherencji