Optyczne elementy aktywne

Transkrypt

1 Optyczne elementy aktywne Źródła optyczne Diody elektroluminescencyjne Diody laserowe Odbiorniki optyczne Fotodioda PIN Fotodioda APD

2 Generowanie światła kontakt metalowy typ n GaAs podłoże typ n typ n typ p Ga 1-x Al x AsGa 1-x Al x AsGa 1-x Al x As obszar rekombinacj 1µm 0,7µm 1µm typ p GaAs 1µm kontakt metalowy E wstrzykiwanie elektronów Ehν E p emisja światła λ 1,4 E p -E v P ηhv e I E v wstrzykiwanie dziur n(r) obszar falowodowy obszar aktywny

3 Dioda elektrolumenscencyjna Dioda Burrusa Dioda krawędziowa

4 Dioda elektrolumenscencyjna P hν η I e P [mw],0 Burrusa 1,5 1,0 0,5 krawędziowa ( ) P ω P 1+ o f f gr I [ma] f gr 0,35 τ n

5 Akcja laserowa Laser Fabry Perot g I/I max g E p λ I/I max E v λ

6 P(I), U(I)

7 Jednomodowy laser półprzewodnikowy DFB (Distributed Feedback Bragg) P λn ef Λ n λ/4 DBR (Distributed Bragg Reflector) P siatka dyfrakcyjna obszar aktywny falowód optyczny siatka dyfrakcyjna (rozłożony reflektor) n obszar aktywny obszar aktywny falowód optyczny

8 Widmo LED i diod laserowych MM LD 1 5nm LED 35 60nm SM LD < 0,0nm nm nm I o długość fali [nm]

9 Optyczny wzmacniacz półprzewodnikowy wielorezonansowy z wnęką Fabry-Perot szerokopasmowy z falą bieżącą (rezonator pokryty jest warstwami przeciwodblaskowymi) selektywny jednorezonansowy z siatką dyfrakcyjną DBR

10 Optyczny wzmacniacz półprzewodnikowy

11 Optyczny wzmacniacz półprzewodnikowy praca poniżej prądów progowych - jeszcze nie występuje samowzbudnie reakcja laserowa wzmocnienie maleje przy wzroście mocy sygnału wejściowego i prowadzi do nasycenia niewielki próg nasycenia (poniżej 50uW) duże straty sprzężenia z włóknem światłowodowym do wzmacnianego sygnału dodawany jest szerokopasmowy szum (współczynnik szumu F 5,dB)

12 Modulacja laserów Zmiana widma w f(i) Rezonanse dla wyższych częstotliwości modulacji T A τ e τ f Zmiana dł.fali ze zmianą mocy optycznej (Chirp) CPR ν 10 GHz/mW P

13 Układy sterujące

14 LED - Laser większa niezawodność i odporność na przeciążenia quasi liniowa charakterystyka ogranicza zastosowanie analogowe laser powyżej prądu progowego ma charakterystykę liniową mniejsza wrażliwość na zmiany temperatury mała moc wprowadzana do włókna duży kąt przestrzenny emisji szerokie widmo emisyjne (10-50nm) wąskie pasmo modulacji (> 00MHz) emisja światła niekoherentnego niski koszt produkcji

15 Odbiornik optyczny - PIN Pole Elektryczne Sprawność kwantowa id N e η e N P f hν S d hν e p- i n+ u d -(5 50)V E p u d E v E g Czułość fotodiody hν hν > E g λ c hν E S d i d P η e ηeλ hν hc [ A/ W ]

16 Odbiornik optyczny - APD Pole Elektryczne Sprawność kwantowa MN e η N f S d hν Me n p i n+ Czułość fotodiody S d i APD P M ηe hν [ A/ W ] u d -( )V

17 Charakterystyka napięciowa fotodiody typowy zakres pracy fotodiody fotowoltaiczny zakres pracy fotodiody

18 Model zastępczy fotodiody i(t)s d P o C j R s R d C j pojemność złącza PIN zależna od powierzchni złącza i względnej przenikalności elektrycznej dielektryka i R d upływność złącza PIN odpowiada za prąd ciemny R s uwzględnia rezystywność podłoża struktury

19 Szybkość fotodiody czas transportu nośników przez warstwę i grubość warstwy i pole powierzchni warstwy i czas transportu nośników po za warstwą i czas emisji dziur czas narastania efektu lawinowego (APD)

20 Szybkość fotodiody fotodiody o małych złączach spolaryzowanych zaporowo τ n 1ns fotodiody o dużych powierzchniach i fotowoltaicznym trybie pracy τ n 1us fotodiody lawinowe o dużym napięciu wstecznej polaryzacji τ n 0,1ns

21 Szum fotodiody szum śrutowy N f k P N et et N e ηn f p( k) e N k() t i() t hν k! e chwilowy prąd: średni prąd: ( t) k e T hν hν ( t) N e I śr i e T t średniokwadratowe odchylenie prądu: i sz fotodioda lawinowa : ( ) e B I M F M śr i i(t) i śr e i T () t i sz I śr pasmo 3dB 1 B T i sz i sz e B I M śr,5 t i e B sz I śr

22 Szum obciążenia szum termiczny 4KTB R o R o i T Ro

23 Szum obciążenia szum termiczny G G KTB R R i TA 4 F R

24 Czułość fotoodbiornika Minimalna moc optyczna docierająca do odbiornika dla której stosunek uzyskanej dysponowanej mocy sygnału do dysponowanej mocy szumu wydzielonej na obciążeniu osiąga zadaną wartość.

25 Czułość fotoodbiornika G I śr S d P o i sz ebi śr i T 4KTB/R R i TA S N P P S N i i d N PIN APD S N S N i i i i d N d N i i sz sz I + i I + i śr T śr T + i + i TA TA ebi em śr,5 ( S P ) + BI d o 4KTB R ( MS P ) śr + d o ( 1+ F ) 4KTB R ( 1+ F )

26 Układy fotoodbiorników Wzmacniacz z dużą opornością wejściową G u u 1 G RiG ( ωrc) f gr πrc τ o,rc 0,35 f gr

27 Układy fotoodbiorników Wzmacniacz transimpedacyjny -G u i 1 1+ G R + R f f ( 1+ jωrc) GR dla G» 1 i niskich częstotliwości u ir f f gr G +1 πr C f

28 Zadanie Wylicz, jaka liczba fotonów w czasie 1ns musi dotrzeć do fotodiody o sprawności η30% i pojemności własnej C6pF, aby na obciążającej diodę rezystancji R1kΩ pojawiło się napięcie 1mV? Docierające fotony są o λ1310nm. Podaj, jaki wówczas będzie S/N?