Zastosowania optoelektroniki wstęp

Transkrypt

1 Zastosowania optoelektroniki wstęp dr hab. inż. Ryszard Korbutowicz Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechnika Wrocławska Informacje wstępne Ryszard.Korbutowicz@pwr.wroc.pl lub /zpp/priv/rkorbutowicz/ tel.: ul. Długa 61-65, bud. M11, p. 140 lub ul. Janiszewskiego 11/17, bud. C, p. 306a Materiały: 3 Zaliczenie Zaliczenie można uzyskać po napisaniu kolokwium na ocenę pozytywną. Najprawdopodobniej będą pytania po 5 punktów za pytanie. Suma punktów dzielona przez 0 daje ocenę końcową. 1

2 4 Karta przedmiotu 5 WYMAGANIA WSTĘPNE W ZAKRESIE WIEDZY, UMIEJĘTNOŚCI I INNYCH KOMPETENCJI 1. Znajomość podstaw fizyki (w tym optyki geometrycznej) i podstaw fizyki ci ała stałego. Ukończenie kursu Podstawy elektrotechniki 3. Ukończenie kursu Elementy i układy elektroniczne 6 CELE PRZEDMIOTU C_01 Zapoznanie studentów z podstawowymi zjawiskami optycznymi w półprzewodnikach, w tym z transmis ją światła w półprzewodnikach i światłowodzie C_0 Zapoznanie studentów z konstrukcją, parametrami oraz warunkami pracy elementów optoelektronicznych C_03 Utrwalanie umiejętności pracy w grupie C_04 Przygotowanie do prowadzenia badań z zastosowań światłowodów, emiterów i detektorów światła Z zakresu wiedzy PEK_W01 Z zakresu umiejętności PEK_U01 PRZEDMIOTOWE EFEKTY KSZTAŁCENIA Ma uporządkowana wiedzę teoretyczną w zakresie fotoniki, w tym wiedzę niezbędną do zrozumienia fizycznych podstaw działania elementów optycznego toru telekomunikacyjnego or az zna obszary zastosowań systemów fotonicznych w szczególn ości w motoryzacji, energetyce i mikrosystemach Potrafi wykorzystać poznane elementy optoelektroniczne oraz proste systemy światłowodowe w praktyce inżynierskiej Z zakresu kompetencji społecznych PEK_K01 Potrafi współdziałać i pracować w grupie laboratoryjnej, przyjmując w niej różne role

3 7 Tematy wykładów 1. Wstęp do optoelektroniki. Podstawy zjawisk optycznych w półprzewodnikach 3. Technika światłowodowa 4. Źródła światła 5. Detektory światła 6. Ogniwa słoneczne podstawy 7. Obszary zastosowań przyrządów optoelektronicznych 8. Kolokwium 8 Literatura przedmiotu B. Mroziewicz, M. Bugajski, Wł. Nakwaski, Lasery półprzewodnikowe, WNT 1985, J. E. Midwinder, Y. L. Guo, Optoelektronika i technika światłowodowa, WKŁ 1995, J. I. Pankove, Zjawiska optyczne w półprzewodnikach, WNT 1984, J. Piotrowski, A. Rogalski, Półprzewodnikowe detektory podczerwieni, WNT 1985, B. Ziętek, Optoelektronika, Wyd. UMK, 004 Z. Bielecki, A. Rogalski, Detekcja sygnałów optycznych, WNT 001, A. Smoliński, Optoelektronika światłowodowa, WKŁ 1985, J. Hennel, Podstawy elektroniki półprzewodnikowej, WNT 1986, J. Godlewski, Generacja i detekcja promieniowania optycznego, PWN 1997, J. Siuzdak, Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej, WKŁ 1997, C. H. Gooch, Przyrządy elektroluminescyjne ze złączem p-n, WNT, 1977, M. Marciniak, Łączność światłowodowa. WKŁ 1998, G. Einarsson, Podstawy telekomunikacji światłowodowej, WKŁ 1998, K. Booth, S. Hill, Optoelektronika, WKŁ, Warszawa 001, R. Bacewicz, Optyka ciała stałego, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1995 etc, etc. 9 Promieniowanie elektromagnetyczne Promieniowanie elektromagnetyczne (fala elektromagnetyczna) rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego. Charakterystyczne pola elektromagnetycznego w fali nazywane modami fali elektromagnetycznej. : TEM Transverse ElectroMagnetic TE Transverse Electric TM Transverse Magnetic 3

4 10 Pasma promieniowania elektromagnetycznego Wikimedia Commons 11 Pasmo optyczne: Pasmo widzialne: Pasma promieniowania = 0, m h = 100 0,001 ev = Hz = 0,38 0,75 m h = 3,3 1,65 ev Pasmo obecnie stosowane 00 nm 50 µm Podstawowa zależność pozwalająca szybko przeliczyć energię na długość fali świetlnej (i odwrotnie): λ[ m] 1,4 hν [ev] 1 Pasma promieniowania Ta sama fala rozchodząca się w różnych ośrodkach ma różną długość, bo zmienia się jej prędkość propagacji: = v /f 4

5 13 Pasma promieniowania Ta sama fala rozchodząca się w różnych ośrodkach ma różną długość, bo zmienia się jej prędkość propagacji: = v /f Pojawiają się pytania (np. na kolokwium): Co to jest fala? Co to jest długość fali? Od czego zależy szybkość propagacji w danym ośrodku? Co to jest: prędkość grupowa i prędkość fazowa? 14 Rozwój źródeł światła Wydajność źródeł światła [lumen/wat] Niefiltrowana żarówka Pierwsza zarówka Tomasza Edisona Lata AlQ3 Związki małocząsteczkowe 0, Polimery PPV Azotki III grupy 15 Trochę historii rok Henry Joseph Round ( ) zaobserwował emisję światła widzialnego z kryształu węglika krzemu (SiC) przewodnictwa typu n. Złącze metal półprzewodnik (złącze Schottky ego) spolaryzowane w kierunku przewodzenia emitowało światło o różnych barwach: żółtej, zielonej, pomarańczowej oraz niebieskiej. Henry J. Round ( ) Kapitan H.J. Round osobisty asystent Marconiego, posiadacz 117 patentów, pionier radia. Pierwsza znana publikacja na temat zjawiska elektroluminescencji to jego artykuł: A Note on Carborundum," Electrical World, v. 19 (February 9, 1907), p

6 16 Trochę historii Oleg Władymirowicz Łosiew ( ), radziecki naukowiec i wynalazca. 193 i 198 rok Oleg Władymirowicz Łosiew opublikował prace dotyczące rekombinacji promienistej w węgliku krzemu SiC. Między innymi dowiódł, że przyczyną luminescencji SiC nie jest żarzenie się struktury (jak ma to miejsce w żarówce Edisona) oraz założył, że luminescencja diod z SiC jest zjawiskiem odwrotnym do Einsteinowskiego efektu fotoelektrycznego. 17 Trochę historii i 1953 rok H. Walker opublikował wyniki prac nad nowymi związkami półprzewodnikowymi grupy III-V (InSb, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs) rok Kilka zespołów badawczych zaprezentowało pierwsze diody elektroluminescencyjne DEL (LED) i diody laserowe (lasery półprzewodnikowe) LD z GaAs emitujące w bliskiej podczerwieni ( nm) (Holonyak Jr. i Bavacqua) Tym samym, 55 lat po odkryciu elektroluminescencji przez Rounda, narodziła się nowa dziedzina techniki: optoelektronika (fotonika) 18 Trochę historii 4a Na podłożu z arsenku galu GaAs wykonano metodą VPE (po raz pierwszy) diodę z materiału Ga(As 1-x P x ). W temperaturze ciekłego azotu dioda ta emitowała światło spójne (akcja laserowa) o długości fali 710 nm oraz szerokości połówkowej 1, nm. W temperaturze pokojowej pierwsza dioda zachowywała się jak typowa dioda LED: promieniowanie nie było koherentne, a szerokość połówkowa wynosiła 1,5 nm. LED 60 $ Laser 600 $ 6

7 19 Trochę historii 5. Jacques I. Pankove 1969/1971 W 1969 Pankove napisał, a w 1971 roku wydano książkę Optical Processes in Semiconductors, Dover Publications Inc. New York (1971). Polskie wydanie Zjawiska optyczne w półprzewodnikach WNT Warszawa 1974 rok. 400 stron, nakład egzemplarzy. BIBLIA OPTOELEKTRONIKI 0 Trochę historii rok Herbert Paul Maruska i Jacques I. Pankove, wykonali na bazie GaN, mimo dużych problemów z otrzymaniem warstwy typu p, i zaprezentowali działający emiter światła niebieskiego o długości fali 475 nm. Nie była to jednak typowa dioda LED ze złączem p-n, lecz dioda metal-izolator-półprzewodnik (struktura MIS) rok 1 Trochę historii Shuji Nakamura Jako pierwszy wytworzył diodę DEL świecącą w zakresie światła niebieskiego. Otrzymał, także jako pierwszy, złącze p n w azotku galu GaN. Jako pierwszy zrobił niebieski laser z zastosowaniem heterostruktury InGaN/GaN. 7

8 Definicje optoelektroniki 3 Definicje optoelektroniki Optoelektronika jest działem elektroniki zajmującym się oddziaływaniem energii promieniowania i energii elektrycznej oraz wykorzystaniem tego oddziaływania w systemach informacyjno elektronicznych. 4 Definicje optoelektroniki Optoelektronika zajmuje się: badaniem i wykorzystywaniem zjawisk rozchodzenia się promieniowania optycznego, jego oddziaływaniem i obróbką, a także zjawisk emisji oraz detekcji promieniowania optycznego do budowy układów optoelektronicznych czyli takich, które pracują z dwoma rodzajami sygnałów: optycznym i/lub elektrycznym, a także z akustycznym czy magnetycznym. 8

9 5 Dziedziny optoelektroniki I Optoelektronika światłowodowa technika światłowodowa optoelektronika zintegrowana optotelekomunikacja II Optoelektronika obrazowa III Optoelektronika fotowoltaiczna IV Optoelektronika informatyczna V Optoelektronika laserowa VI Optoelektronika oświetleniowa 6 Optoelektronika fotowoltaiczna Ogniwa z krzemu monokrystalicznego wykonywane są z płytek o kształcie okrągłym, a następnie przycinane na kwadraty dla zwiększenia upakowania na powierzchni modułu. Pojedyncze ogniwo produkuje zazwyczaj pomiędzy 1 a W, co jest niewystarczające dla większości zastosowań. Dla uzyskania większych napięć lub prądów ogniwa łączone są szeregowo lub równolegle w obrębie danego modułu. Największe sprawności przetwarzania promieniowania słonecznego (do 30%) uzyskuje się z ogniw z arsenku galu GaAs, ale ogniwa te są bardzo drogie i dlatego mają przede wszystkim w zastosowanie w kosmosie. 7 Optoelektronika fotowoltaiczna organiczna 9

10 8 Optoelektronika informatyczna Holografia dynamiczna holografia - metoda rejestrowania i odtwarzania obrazów trójwymiarowych 9 Logika optyczna 30 Optoelektronika laserowa Konstrukcje laserów niebieskich 10

11 31 Optoelektronika oświetleniowa Prototyp 100 lm i 3 lm/w LXHL-MW1D White Luxeon Star 5 lm/w godzin życia Bezpieczny dla dotyku Brak promieniowania UV 3 Optoelektronika oświetleniowa Kształt tradycyjnej żarówki 17 W (75 W), Zwykły trzonek (E7) Ciepłe, białe światło Uwaga! To poniżej jest reklamą Stworzona z myślą o doskonałej jakości światła Światło ze wszystkich kierunków (310 ) Prawdziwie ciepłe, białe światło (700K), jak w wypadku zwykłej żarówki Duży współczynnik oddawania barw (CRI > 80) zapewnia żywe kolory Możliwość przyciemniania Pierwszy prawdziwy zamiennik żarówki o mocy 75 W Strumień świetlny 1055 lumenów Natychmiastowe oświetlenie po włączeniu (0, s; Warm up time to 60% light: < s) Działa nawet 5 lat ( cykli, godzin) Małe zużycie energii (17 W) Informacja Philipsa 33 Optoelektronika oświetleniowa 11

12 34 Zalety optoelektroniki Dobroć układów elektronicznych i optoelektronicznych Q 1 Q C el 3 10 P f cm w w cm 1W/10GHz Q oe w cm 10 mw/300t Hz 35 Zalety optoelektroniki Dobroć układów elektronicznych i optoelektronicznych Q Q 1 Q C el oe P f cm w w cm w cm 1W/10GHz 10 mw/300t Hz Q Q oe el Zalety optoelektroniki * możliwość wytworzenia emiterów i detektorów * wysoka pojemność informatyczna kanału * mała tłumienność * duża dobroć układu * jednokierunkowość sprzężenia i brak sprzężenia zwrotnego odbiornika ze źródłem promieniowania * izolacja galwaniczna: Ω, 10 5 V, 10-6 pf * izolacja kanałów komunikacyjnych foton jest nośnikiem informacji 1

13 37 Zalety optoelektroniki * duża obciążalność FM (modulacja częstotliwości) AM (modulacja amplitudy) kierunek rozprzestrzeniania się fali polaryzacja fali i faza drgań * możliwość realizacji końcowej informacji w postaci obrazu * taniość i dostępność surowca, * technologia planarna lub wertykalna, kompatybilność technologii z innymi technologiami 38 Zastosowania optoelektroniki * telekomunikacja światłowodowa * czujniki dla potrzeb metrologii, automatyki i robotyki * komputerowe sieci odporne na zakłócenia * przekształcanie informacji obrazowych z obszaru widma niewidzialnego na widzialne * wzmacnianie kontrastowości i jaskrawości obrazu * mikroobróbka laserowa układów elektronicznych * obróbka tworzyw za pomocą wysokoenergetycznych wiązek laserowych * tworzenie nowych narzędzi i metod chirurgicznych 39 Zastosowania optoelektroniki * technika holograficzna * przetwarzanie energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną * konstrukcja płaskich monitorów (ciekłokrystaliczne, diodowe lub OLED) * magazynowanie danych (cd-rom, dvd) * światła sygnalizacyjne i ostrzegawcze o dużej jasności oraz niezawodności * oświetlanie pomieszczeń za pomocą diod i zespołów diod elektroluminescencyjnych o dużej jasności * etc. etc. 13

14 40 Ważniejsze cechy emiterów Duża sprawność energetyczna 50% Duża szybkość działania 15 GHz Możliwość doboru długości fali Wąska charakterystyka widmowa (45 nm dla DEL, 0,01 Å dla laserów) Napięcie zasilania kompatybilne z układami scalonymi Małe wymiary źródła optycznego Duża niezawodność Długi czas pracy 10 6 godzin Małe rozmiary Niewielki ciężar Odporność mechaniczna 41 Ważniejsze cechy detektorów Duża sprawność kwantowa oraz duża czułość 0,7 A/W Duża szybkość działania zakres nanosekund Dobra liniowość Relatywnie niski poziom szumów NEP ~ W/Hz -½ Szerokie pasmo czułości widmowej Możliwość wykonania detektorów o dużej selektywności widmowej ~ 10 nm Duża niezawodność Długi czas pracy 10 6 godzin Małe rozmiary Niewielki ciężar Odporność mechaniczna 4 Tyle tytułem wstępu 14