Optoelektronika, fotonika,..(część 1) Zagadnienia

Transkrypt

1 Optoelektronika, fotonika,..(część 1) Stare i nowe materiały a światło. Zagadnienia Podstawowe wielkości opisujące światło; Podstawowe wielkości opisujące oddziaływanie materiałów ze światłem; Niektóre zjawiska (rozpraszanie, luminescencja, fluorescencja); Niektóre zastosowania, a w szczególności lasery i światłowody; 1

2 Natura światła Światło jest falą elektromagnetyczną Rozchodzącą się w powietrzu z prędkością c=1/ (ε 0 µ 0 ) = 3 x 10 8 m/s Emisja i absorbcja światła Oba zjawiska wynikają z tych samych praw fizyki: 2

3 Pierwsza zasada termodynamiki Absorpcja światła polega pochłonięciu fotonu i wzbudzeniu wskutek tego np. elektronu do wyższego stanu energetycznego. 3 d 2 nd Pierwsza zasada termodynamiki First excited state Ground state Emisja światła następuje gdy np. elektron będący w stanie wzbudzonym powraca do stanu podstawowego. 3

4 Jak dany materiał absorbuje i emituje światło, czy.....nadaje się jako ośrodek, w którym zachodzi akcja laserowa,...nadaje się jako materiał, z którego wytwarza się światłowody,...można go wykorzystać jako zwierciadło, Itd., itd. Zależy wyłącznie od tego jak (wiązania) i z czego (atomy) zbudowany jest materiał. Właściwości optyczne materiału opisuje się za pomocą: Współczynnika absorpcji, załamania i odbicia. Wielkości te są od siebie wzajemnie zależne! 4

5 Współczynnik absorpcji Czasem potrzebny jest duży, czasem mały. Ogólny opis absorpcji I 0 = I T + I A + I R gdzie I o jest natężeniem (W/m 2 ) światła padającego, indeksy T, A i R odpowiadają odpowiednio światłu przechodzącemu, zaabsorbowanemu i odbitemu 5

6 Ogólny opis absorpcji Jeśli materiał nie jest przezroczysty, to natężenie przechodzącego światła maleje esponencjalnie z odległością I=I 0 exp( αx) Gdzie α jest współczynnikiem absorpcji. Mechanizmy absorpcji Foton może zostać pochłonięty przez elektron: przejście między stanami energetycznymi w atomie, między pasmami energetycznymi w ciele stałym, absorpcja przez elektron quasiswobodny w metalu, 6

7 Przykład: metale Puste stany T = 0K E F Zapełnione stany Elektrony w metalu mogą absorbować promieniowanie o praktycznie każdej częstotliwości. Elektron absorbuje foton, a następnie wraca do stanu podstawowego emitując identyczny foton metale prawie idealnie odbijają światło (95%).Metale stają się przezroczyste dopiero przy bardzo wysokich częstotliwościach. Przykład: półprzewodniki i dielektryki kowalencyjne Bardzo ważny mechanizm absorpcji: przejścia międzypasmowe E C E G E V dziura 7

8 Przykłady widm absorpcji dla różnych półprzewodników: Photon energy (ev) Ge In 0.7 Ga 0.3 As 0.64 P 0.36 α ( m - 1 ) Si a-si:h GaAs InP In 0.53 Ga 0.47 As Wavelength (µm) Fig. 9.19: Absorption coefficient (α) vs. wavelength (λ) for various semiconductors (Data selectively collected and combined from various sources.) From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Ka s a p ( McGra w-hill, 2002) W przypadku półprzewodników domieszkowanych sytuacja jest bardziej skomplikowana: hf 1 fonon E C hf 2 E V 8

9 Mechanizmy absorpcji Foton może zostać pochłonięty przez atom jako całość: wzbudzenie drgań atomów (fonony), jakikolwiek ruch atomu lub cząsteczki. Przykład: kryształy jonowe Materiały o wiązaniu jonowym silnie oddziałują z polem elektrycznym promieniowania elektromagnetycznego, ponieważ jony o przeciwnym znaku przemieszczają się w przeciwnych kierunkach silna absorpcja w podczerwieni. 9

10 Przykład: kryształy molekularne Molekuły są słabo ze sobą związane, zatem absorpcja wynika głównie z budowy samych cząsteczek Np. woda: Widmo absorpcji wody 10

11 Współczynnik załamania Niezmiernie ważna właściwość materiału, np. dla takich zastosowań jak: Soczewki, Światłowody, lasery Współczynnik załamania c n = v 1 v = i c = εµ 1 ε µ gdzie µ (= µ r µ 0 )iµ 0 są odpowiednio magnetyczną przenikalnością ośrodka i próżni, a ε (= ε r ε 0 )iε 0 są odpowiednio dielektryczną przenikalnością ośrodka i próżni Wynika stąd, że n = (µ r ε r ) ( ε r w większości materiałów)

12 Współczynnik załamania Widać zatem, że współczynnik załamania światła wynika z własności dielektrycznych materiału. Np. dodatek ciężkiego ołowiu do szkła powoduje zwiększenie współczynnika załamania: szkło: n ~ 1.5 szkło z ołowiem: n ~ 2.1 Dodaniu germanu zamiast krzemu do szkła światłowodowego zwiększa współczynnik załamania światła (German ma o 18 elektronów więcej niż Si). Rozpraszanie światła Nawet jeśli światło rozchodzi się w danym materiale, to i tak może być rozpraszane wewnątrz niego. W ten sposób niesiona przez światło informacja może zaniknąć. 12

13 Rozpraszanie światła Światło może być rozpraszane przez: Granice międzyziarnowe w materiałach polikrystalicznych; Pory w ceramikach; Inne fazy; Małe, przypadkowo rozłożone różnice współczynnika załamania spowodowane np. zmianą gęstości, struktury lub składu, drganiami cieplnymi atomów (rozpraszanie Rayleigha). Rozpraszanie Rayleigha Rozpraszanie światła na przeszkodach mniejszych niż długość fali. A dielectric particle smaller than wavelength Incident wave Through wave Scattered waves 13

14 A dielectric particle smaller than wavelength Incident wave Through wave Scattered waves Światło padając na małą cząstkę dielektryka pobudza ja do drgań, co z kolei, powoduje emisję promieniowania elektromagnetycznego we wszystkich kierunkach. Tzn. część energii fali padającej jest rozpraszana w kierunkach różnych niż fala padająca. Na marginesie: Rozpraszanie Rayleigha jest przyczyną, dlaczego niebo jest niebieskie rozpraszanie jest proporcjonalne do λ -4 ponieważ λ czerw ~ 2λ nieb niebieskie światło jest około~16 razy silniej rozpraszanie niż niebieskie Zjawisko to ma bardzo duże znaczenie w technologii światłowodowej (szkło jest bardzo czyste i przezroczyste, dlatego tak subtelne efekty mają znaczenie). 14

15 Luminescencja, fluorescencja, fosforescencja Luminescencja Luminescencja :emisja w postaci światła uprzednio zaabsorbowanej energii. W zależności od przyczyny świecenia może być foto-, elektro-, lub chemoluminescencja, Foto- spowodowana oświetleniem Elektro- polem elektrycznym (LED) Reakcją chemiczną. 15

16 Luminescencję można dalej podzielić na fluoro- (szybka: s) i fosforescencję (wolna: s), np.: E 2 incident E 1 fluor. flip flip phosp. phosp. E 3 phonon emission ~10-12 s per hop fluorescence, ~10-5 s W lampach fluorescencyjnych plazma generuje światło uv, a fluoryzujący materiał pokrywający ściany rury przetwarza je na światło widzialne. Aby wytwarzane światło było białe trzeba używać mieszaniny różnych fluorescencyjnych materiałów, każdy fluoryzujący w innej długości fali. Np. materiały najczęściej stosowane w kineskopach: ZnS domieszkowany Cu + daje światło zielone ZnS:Ag - niebieskie YVO 4 :Eu - czerwone 16

17 Laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation jeden z najpożyteczniejszych wynalazków XX wieku Światło laserowe jest: Monochromatyczne Koherentne Kierunkowe O dużej intensywności Działanie lasera 1. Materiał czynny lasera w stanie podstawowym 2. pompowanie w celu wzbudzenia atomów materiału lasera do stanu wzbudzonego (np. Za pomocą intensywnego impulsu światła). 17

18 Działanie lasera 3, 4. Osiągnięcie inwersji obsadzeń, emisja spontaniczna, początek emisji wymuszonej. Wciąż jeszcze za mało fotonów, aby w całym ośrodku wymusić emisję. Działanie lasera 5. Pełna emisja wymuszona 18

19 Laser rubinowy Rodzaje laserów 19

20 holografia holografia 20

21 Światłowody i zaawansowane materiały w technologii światłowodowej Światłowody Dawniej w technologii światłowodowej wykorzystywano światło widzialne. Obecnie: podczerwień. 21

22 Wytwarzanie światłowodów Bezpośrednie wyciąganie włókien Wyciąganie włókna z preformy Bezpośrednie wyciąganie włókien Metoda podwójnego tygla Stopione szkło na rdzeń w tyglu wewnętrznym Szkło na płaszcz: w tyglu zewnętrznym Włókno wyciąga się przez otwory w dnach tygli 22

23 Bezpośrednie wyciąganie włókien Metoda: pręt w rurce Całość jest ogrzewana; oba szkła miękną i łączą się ze sobą w trakcie wyciągania włókna. Oba szkła powinny mieć zbliżone temperatury mięknięcia. Wytwarzanie światłowodów z preformy 23

24 Preforma Preformy wytwarza się stosując różne metody osadzania, domieszkowania itp. z fazy gazowej. Wykorzystuje się reakcje: 1. SiCl 4 + O 2 SiO 2 + 2Cl 2 2. GeCl 4 + O 2 GeO 2 + 2Cl POCl 3 + 3O 2 2P 2 O 5 + 6Cl BCl 3 + 3O 2 2B 2 O 3 + 6Cl 2 MVCD, PMVCD SiO 2 w postaci bardzo drobnych cząstek osiada na chłodnych ściankach. Cząstki łączą się ze sobą tworząc amorficzną warstwę. Skład gazu jest w sposób ciągły zmieniany, tak że współczynnik załamania światła również odpowiednio się zmienia. Gdy proces nanoszenia się kończy, temperatura pieca rośnie do 1800 o C i rurka stapia się w litą preformę. (M=modified) SiCl 4 + O 2 SiO 2 + 2Cl 2 24

25 PVCD W rurce powstaje plazma ułatwiająca zajście reakcji. Szkło powstające wewnątrz jest od razu w postaci jednolitego materiału. Domieszkowanie z zewnątrz Pary chlorków podlegają reakcji hydrolizy w piecu. SiO 2 osadza się w materiale porowatej preformy od zewnątrz. Następnie preformę stapia się w wysokiej temperaturze (przy okazji ucieka z niej woda). 25

26 Wyciąganie włókna Preformy o średnicy rzędu cm i długości kilku cm rozciąga się tak, że ich średnica wynosi 125 µm Wyciąganie przebiega w temperaturze 2200 C Inne elementy światłowodowe 26

27 FIBER BRAGG GRATINGS Co to jest FBG: periodyczne zaburzenie współczynnika załamania światła rdzenia jednomodowego światłowodu. FIBER BRAGG GRATINGS Gdy światło pada na taka siatkę Bragga, tylko bardzo wąski zakres długości fali odbija się od siatki (~0.2 nm). Pozostale przechodzą. Selektywne zwierciadło 27

28 Wytwarzanie FBG Mechanizm Różnica współczynnika załamania wynosi tylko 10-4 Wykorzystuje się fakt, że włókno krzemianowe domieszkowane Ge jest fotoczułe. Pod wpływem silnego swiatła zrywane sa wiazania Ge-Ge Do czego mogą służyć FBG Np. dwie siatki Bragga tworzą rezonator optyczny w pewnym obszarze światłowodu. 28

29 Wzmacniacze optyczne Po co są potrzebne? Światło, rozchodząc się w ośrodku ulega tłumieniu. Informacja zawarta w sygnale może zaniknąć. Straty Źródła strat energii: 29

30 Straty Najniższe do tej pory uzyskane straty w światłowodzie szklanym: 0,2 db/km (λ=1500 nm) Połączenia między światłowodami: 0,1-0,3 db/km Wzmacniacze optyczne 30

31 Wzmacniacz wykorzystujący domieszkowanie erbem Rdzeń światłowodu krzemianowogermanowego jest domieszkowany erbem (albo neodymem). Ważnym czynnikiem jest to, że można osiągnąć dosyć duży stopień domieszkowania (do 1000 ppm). Działanie EFDA: dokładniej Energy of the Er 3+ ion in the glass fiber 1.54 ev 1.27 ev E 3 E 3 Non-radiative decay 980 nm 0 Pump 0.80 ev E nm In E nm Out Energy diagram for the Er 3+ ion in the glass fiber medium and light amplification by stimulated emission from E 2 to E 1. Dashed arrows indicate radiationless transitions (energy emission by lattice vibrations) 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall) 31

32 Signal in Optical isolator Er 3+ -doped fiber (10-20 m) Wavelength-selective coupler Splice Splice Optical isolator Signal out λ = 1550 nm λ = 1550 nm Pump laser diode λ = 980 nm Termination A simplified schematic illustration of an EDFA (optical amplifier). The erbium-ion doped fiber is pumped by feeding the light from a laser pump diode, through a coupler, into the erbium ion doped fiber S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall) Światłowody krzemowe? Dzisiejsze urządzenia fotoniczne wykorzystują drogie związki półprzewodnikowe takie jak GaAs, GaP. Z drugiej strony, w telekomunikacji wykorzystuje się światło o długości fali µm. Dla takiego światła krzem jest praktycznie przezroczysty. 32

33 Światłowody krzemowe? Zatem, potrzeba tańszych urządzeń spowodowała rozwój fotoniki krzemowej. W szczególności: wzmacniacze i generatory światła; modulatory światła; Laser Ramana Rozpraszanie Ramana: Światło o długości fali λ 1 wzbudza drgania atomów materiału (fonony) oraz emisję światła o długości fali λ 2. 33

34 Laser Ramana Wymuszone rozpraszanie Ramana: Normalnie, intensywność promieniowania rozproszonego (λ 2 ) jest znacznie mniejsza niż intensywność promieniowania padającego. Jeżeli światło padające jest wystarczająco intensywne, a materiał umieszczony jest we wnęce rezonansowej, wówczas może nastąpić wzmocnienie (wzmocnienie Ramana) oraz akcja laserowa. Laser Ramana Wymuszone rozpraszanie Ramana: Największe wzmocnienie następuje, gdy różnica długości fali promieniowania pompującego i emitowanego wynosi: 34

35 Laser Ramana Technologia SOI (silicon on insulator). Przekrój poprzeczny warstwy Si ma około 1.6 µm 2, a długość 4.8 cm. Cienka warstwa krystalicznego krzemu (n=3.6) jest osadzona na warstwie SiO 2 (n=1.5). Dzięki tak dużej różnicy współczynników załamania, światło może być bardzo skutecznie ograniczone w przestrzeni. Stąd wynika duże wzmocnienie Ramana. Laser Ramana Przednia i tylna ścianki falowodu są pokryte warstwą o dużym współczynniku odbicia dla wiązek: pompującej i wychodzącej. Światło pompujące ma 1540 nm, wychodzące: 1650 nm. Możliwa jest praca ciągła lasera. Pierwsze doniesienie o krzemowym laserze Ramana: luty

36 Laser Ramana Pulsed operation OE 2004 paper CW operation H. Rong et al., Nature 2005 Modulatory światła Pierwszy krzemowy GHz-owy modulator Modulatory optyczne wykorzystuje się do kodowania i dekodowania danych poprzez odpowiednie włączanie i wyłączanie wiązki światła (zera i jedynki). Do 2004 roku krzemowe modulatory działały powoli (20 MHz). Obecnie: GHz. 36

37 . Dzisiejsze światłowody bardziej skomplikowane profile rdzeń o wyższym n n ~ 1.46 straty ~ 0.2 db/km dla λ=1.55µm (wzmacniacz co km) krzemianowa warstwa ewnętrzna o niższym n n ~ 1.45 polimerowa warstwa granice możliwoś ochronna [ R. Ramaswami & K. N. Sivarajan, Optical Networks: A Practical Perspective ] Przezroczystość szkła stosowanego do wytwarzania światłowodów ma podstawowe znacznie. Obecnie, jakość szkła jest taka, że 10km włókna absorbuje światło mniej więcej tak samo jak 25mm zwykłej szyby okiennej! W tak czystym szkle, rozpraszanie Rayleigha jest głównym mechanizmem rozpraszania światła water OH - absorption peaks i Rayleigh scattering 1310 nm 1550 nm Lattice absorption Wavelength (µm) 37

38 Lepszym materiałem od obecnego szkła światłowodowego jest... powietrze 1000x mniejsze straty i nieliniowość Photonic Crystal Literatura P.E. Bagnoli et al., Dipartimento di Fisica Enrico Fermi, Universita di Pisa. S.G. Johnson, Applied Mathematics, MIT. Ertan Salik, OAO Corporation. Andrea Macella, Università degli Studi di Lecce 38