ELEMENTY OPTOELEKTRONICZNE

Transkrypt

1 EEMENTY OPTOEEKTRONICZNE Plan wykładu: 1. Oddziaływanie fotonów z materią. Fotodioda 3. Dioda świecąca 4. asery półprzewodnikowe 1

2 Oddziaływanie fotonów z materią pasmo przewodnictwa przerwa energetyczna pasmo walencyjne absorpcja emisja spontaniczna emisja wymuszona FOTODIODY

3 Fotodioda p-np światło p dyfuzja n absorbowana moc optyczna + - unoszenie - dyfuzja E c odległość + + E v Fotodioda p-i-np światło p i n natężenie pola odległość 3

4 Czułość fotodiody = I P q λ = η h c R F λ η = η = strumień gen. par e-h, pow. przepływ prądu strumień padających fotonów prawdopodobieństwo, że foton wygeneruje parę e-h ( 1 r)( 1 ξ )( 1 ( α A W )) η = exp Współczynnik absorpcji wsp. absorpcji α A [cm -1 ] głębokość wnikania [µ m] długość fali [µm] 4

5 Sprawność kwantowa 1 sprawność s pr. kw. kwantowa α A =1µm -1 α A =.1µm w [um] długość w [um] ( 1 r)( 1 ξ )( 1 ( α A W )) η = exp Czułość i charakterystyka spektralna 1. I P q λ = η h c F R = λ czułość [A/W].5 responsivity [A/W] Si InGaAsP Ge InGaAs 5 wavelength [nm] 1 15 długość fali [nm] 5

6 Jak zwiększyć czułość fotodiody? I P q λ = η h c F R = λ η = ( 1 r)( 1 ξ )( 1 exp( α AW )) η = strumień gen. par e-h, pow. przepływ prądu strumień padających fotonów η > 1 (?) Fotodioda lawinowa APD Fotodioda lawinowa Fotodioda lawinowa (Avalanche Photodiode) APD Avalanche Photodiode światło absorpcja powielanie p i p n + metalizacja n + p + p i natężenie pola odległość 6

7 Fotodioda lawinowa (APD) - p i p n + I p prądy w stanie ustalonym i h () i e () i e (W) i h (W)= Wzmocnienie APD i e i h die dx dih dx = α i + α i e e e e h h = α i + α i h h M ie = i dx ( W ) 1 k = ( ) exp( ( k 1) α W ) k e e I = i ( x) i ( x) e + h I. α h = k = II. α e = α h k = 1 M = exp( α e W ) 1 M = 1 α e W Dla InGaAs α e = 1 5 V/cm W = 5µ M 148 α e x W = 1 M (przebicie lawinowe) 7

8 t t t Mikroskopowe spojrzenie na APD absorpcja w d powielanie w m prąd elektronów i e(t) prąd dziur I h(t) x absorpcja fotonu τ m e v h w d + w m e v e w d + w m powielenie elektronu powielenie dziury wd vh Polaryzacja APD +5V +5-7V +5-7V PWM - + U REF 8

9 pojemność [pf] pojemność [pf] Szybkość działania fotodiody stała czasowa τ τ tr + τ RC czas przelotu nośników τ tr w/v h (~ 1 ps) stała czasowa obudowy τ RC ~ 1 ps składowe dyfuzyjne prądu fotodioda heterozłączowa Stała czasowa obudowy 1. EPM75.4 EPM napięcie wsteczne [V] napięcie wsteczne [V] 9

10 33µm 5µm Fotodioda heterozłączowa Au/AuSn 4 µm p i n InP InGaAs InP n + InP (podłoże) InP E g =1.35 ev; λ =.9µm InGaAs E g =.75 ev; λ =1.65µm Fotodiody PIN (.5 Gb/s) APD (.5 Gb/s) 1

11 DIODY ŚWIECĄCE (ED) Elementy świecące - materiały długość fali [µm] mieszaniny ternarne Ga1-xInxSb InAs1-xPx materiały o wartościowościach III - V przerwa energetyczna: prosta skośna stała sieci [Å] In1-xGaxAs InAsyP1-y mieszaniny quaternarne In1-xGaxAsyP1-y przerwa energetyczna [ev] E gq = hν = hc/λ λ = hc/e gq 1.4/E g [ev] 11

12 Dioda świecąca (ED) ~5 µm SiO metal wytrawiona studnia światło światłowód obszar świecący żywica epoksydowa n - GaAs struktura powierzchniowa (Burrus a) Moc sprzęgnięta do włókna: n - AlGaAs p - GaAs gradientowe - µw p - AlGaAs p + - GaAs jednomodowe - 1- µw metal SiO struktura krawędziowa p + - GaAs p - GaAlAs światło Moc sprzęgnięta do włókna: n - GaAlAs gradientowe - 5 µw n + GaAs podłoże jednomodowe - 3 µw Równanie bilansu szybkość generacji [szt/m 3 x s] dn dt = G R szybkość rekombinacji [szt/m 3 x s] G = I qv R + N = R p Rnp R = ; Rp = ; Rnp = ; τ c < τ sp, τ τ np c τ sp τ np N N Si Ga As Ga N τ s p τ n p τ c η i 1 m s 1 n s 1 n s n s 1 n s 5 n s.5 n s 1 p s 1 p s. 5 dn dt = I qv N τ c 1

13 Równanie bilansu w st. ustalonym: Moc optyczna: Moc emitowana: Charakterystyka statyczna i dn dt P = R λ p P = η P = I qv V h ν = e i = N = N = τ I q I ηeη i hν q c τ c h ν = τ sp I qv I q τ c h ν η i Charakterystyka częstotliwościowa I ( t) = I I exp( jω t) + m m I ~ I m N ( t) = N N exp( jω t) + m m H ( ω) N = N ( ω) ( ) P = P m m ( ω) 1 = ( ) 1+ jωmτ c N ( ω ) m τ ci m qv = 1+ jω τ m -3 db opt = -6 db el -3 db el = -1.5 db opt c f g _ opt = 3 πτ c f g _ el = 1 πτ c τ c ~ 3-5 ns f g ~ 5-1 MHz 13

14 ASERY PÓŁPRZEWODNIKOWE 14

15 Schemat ideowy lasera (każdego) źródło energii pompowanie ośrodek aktywny światło rezonator (sprzężenie zwrotne) lustro HR aser He-Ne ośrodek aktywny: zjonizowany gaz mieszaniny He-Ne okno Brewstera lustro OC A K światło Free Electron aser wiązka elektronów wiggler undulator pułapka magnesy stałe lustra rezonatora 15

16 Zasada działania em is ja spon ta n iczn a gc(λ) ( ) e g c λ wyjś cie λ P λ π N-1 N N+1 φ(λ) φ(λ) λ P λ Prosty laser półprzewodnikowy prąd obszar aktywny płaszczyzny krysta liczne lus tra r 1 ośrodek wzmacniający z= z = 13 re zonator F abry-p erot'a r 16

17 Wzmocnienie w obszarze aktywnym lasera emisja wymuszona emisja spontaniczna Rezonator Fabry-Perot (longitudinal confinement) 3 3 ( j k ) t re i exp ( j k ) t r E i exp 8 ( j k ) t r E i exp 6 ( j k ) t r E i exp ( j k) tre i exp 3 ( j k) tr E i exp 9 ( j k) tr E i exp 7 ( j k) tr E i exp 5 E i t E i te i exp ( jk) t, r - zdefiniowane dla MOCY 17

18 Charakterystyka rezonatora Fabry-Perot 1 wsp. transmisji [jedn. wzgl] r =.9 wsp. transmisji [jedn. wzgl] = 3 λ r = długość fali [nm] r =.9 r =.3 = 1 λ długość fali [nm] Warunki akcji laserowej poziom strat we wnęce rezonansowej mod oscylujacy mody wzdłużne 18

19 19 Warunki akcji laserowej z= r 1 r z= ) exp( t E ω n j g t E R w c exp )exp exp( λ π α ω n j g t E r R w c exp )exp exp( λ π α ω n j g t E r R w c exp )exp exp( λ π α ω n j g t E r r R w c exp )exp exp( 1 λ π α ω ( ) ( ) 1 exp exp 1 j n j g r r R w c + = λ π α Warunki akcji laserowej I. Warunek amplitudowy ( ) ( ) 1 exp exp 1 j n j g r r R w c + = λ π α II. Warunek fazowy ( ) ( ) ( ) 1 1 ln 1 1 exp r r g g r r w th w c = = α α R R R n m m n m n 1 λ λ π λ π = = =

20 Charakterystyka spektralna (FP) moc optyczna [jedn. względne] moc optyczna [jedn. względne] długość fali [nm] długość fali [nm] Obszar aktywny lasera prąd światło transversal poprzeczny heterozłącze światło lateral boczny izolacja złączowa longitudinal wzdłużny F-P

21 Heterozłącza (transversal confinement) energia elektronów heterozłącze p-p (izotypowe) P p elektrony mają pod górkę heterozłącze p-n (anizotypowe) p N E g E g1 E g1 energia dziur E fv obszar zubożony warstwa akumulacyjna E fc dziury mają pod górkę E g3 aser biheterozłączowy (transversal confinement) n obszar aktywny ~, µm p pasmo przewodnictwa kierunek przepływu prądu energia przerwa energetyczna elektrony pasmo walencyjne dziury współczynnik załamania positive-index negative-index gęstość mocy profil modu 1

22 aser biheterozłączowy (lateral confinement) kontakt metalowy kontakt metalowy SiO grzbiet p - InP SiO n - InP mesa p - InP n - InP p - InP p - InP n - InP p - InGaAsP n - InP p - InGaAsP n + InP, podłoże n + InP, podłoże ridge waveguide n ~.1 weak guiding lasery index guided burried heterostructure n ~.1 strong guiding obszar świecący ~.1 1µm mało zależny od prądu strującego laser Bilans energetyczny w laserze I<I TH I/qV G GEN = η I/q V I R REC=R +R N R+RS P upływ prąd u R N TH R NR R SP

23 Bilans energetyczny w laserze I>I TH I/qV G gen =η i /qv R REC R=R+R+R+R RECNRSPSTYM NR +R SP +R ST R ST =R STYM -R ABS upływ prądu R N TH R STYM R ST R NR R SP Bilans energetyczny w laserze dn dt dn dt I N e e = η i Rst ; τ e qv τ e p = ΓR st N + ΓβspRsp τ Wypadkowa emisja wymuszona: p p = f ( N ) e Bilans elektronów Bilans fotonów I N = N g z z = v g g t N p N p + N p N p dz R st = = N p gvg t Moc wyjściowa: P = N V λ p p hc 1 η λ τ p p p 3

24 g th Koncentracja - wzmocnienie Nth = α 1 qv g a = NTR + th Ith NTR 1 ητ c α a g N g TH N TH N TR N TH N I TH I -α a I > I N th N th dynamika lasera: pod progiem czas życia elektronów (~1 ns) nad progiem czas życia fotonów (~1 ps) Charakterystyka statyczna 1 5uW 1.V 4uW.9V.8V 3uW.7V uw.6v 1uW.5V W >>.4V A 5mA 1mA 15mA ma 5mA 3mA 35mA 4mA 1 V(pow) V(anoda) Ipp 4

25 Charakterystyka modulacyjna (AC) Ibias = 3 ma Ibias = 35 ma Ibias = 4 ma MHz 1.GHz 3.GHz 1GHz 3GHz 1*OG1(V(pow)) Frequency 6mA Odpowiedź na skok prądu I B >I TH 4mA ma SE>> A 1.5mW I(Ip1) 1.mW.5mW W 49.ns 49.5ns 5.ns 5.5ns 51.ns 51.5ns 5.ns 5.5ns 53.ns V(pow) Time Odpowiedź na skok prądu I B <I TH 5mA 5mA SE>> A 1.mW I(Ip1).8mW.4mW W 49.ns 49.5ns 5.ns 5.5ns 51.ns 51.5ns 5.ns 5.5ns 53.ns V(pow) Time 5

26 Przykładowe dane katalogowe ucent D37 Struktury złożone MQW DFB DBR VCSE RCED 6

27 aser MQW (Multi Quantum Well) Diagram energetyczny asery QD (Quantum Dot) 7

28 Co z tego wynika??? moc optyczna [mw] moc optyczna [mw] prąd [ma] prąd [ma] laser QW laser QD ustra złożone - siatka Bragg a n 1 n n 1 r -r Λ n r n 1 -r 1 n r n 1 n -r r r g n 1 n r g struktura planarna struktura wertykalna 8

29 Charakterystyki częstotliwościowe n =.57 m = współczynnik odbicia n = 4*1-4 m = faza amplituda [db] faza amplituda [db] asery z siatkami Bragg a laser DBR laser DFB laser VCSE (DBR) 9

30 asery DFB aser DFB klasyczny r g1 λ/4 nie oscyluje na długości fali Bragg a r g aser DFB z przesunięciem fazy o λ/4 r g1 λ/ oscyluje na długości fali Bragg a r g asery DFB charakterystyka spektralna temperatura [ C] 3

31 p-dbr Struktury VCSE (Vertical Cavity Surface Emitting aser) kontakt górny izolacja emisja światła kontakt górny n-dbr kontakt dolny emisja światła struktura typu mesa kontakt dolny struktura z implantacją protonów obszar aktywny kontakt p-gaas tlenek DBR okresy kontakt górny DBR 18.5 okresu podłoże n warstwa AR kontakt dolny struktura z aperturą dielektryczną Struktury VCSE (Vertical Cavity Surface Emitting aser) 31

32 4 Struktury VCSE podstawowe charakterystyki 4 moc optyczna [mw] moc optyczna [mw] 3 1 II th napiecie napięcie [V] [V] 3 1 prąd progowy [ma] prąd [ma] prąd [ma] temperatura [ C] temperatura [ C] moc (jednostki względne) moc [jedn. wzgl.] prąd [ma] prąd [ma] długość fali [nm] długość fali [nm] Porównanie widm optycznych λ nm λ <.1 nm λ.5 85 nm moc optyczna [jedn. względne] moc [jedn. wzgl.] moc (jednostki względne) długość fali [nm] [nm] długość fali [nm] laser FP laser DFB laser VCSE 3

33 RCED (Resonant Cavity ED) MCED (MicroCavity ED) ~4% mocy n 1 ~1-1% mocy n 1 stożek światła emisja światła n obszar aktywny obszar aktywny emisja światła n lustra Bragg a podłoże podłoże emisja spontaniczna w ośrodku izotropowym emisja spontaniczna w mikrownęce FC3R/3D RCED ROSA/TOSA moc optyczna 1 mm POF: -1.5 dbm długość fali: 65 nm szerokość spektralna FWHM: nm szybkość modulacji: 5 MBit/s Przykładowe obszary zastosowań: przemysł samochodowy IDB 1394: 18 5 MBit/s małe sieci biuro/dom (SOHO): IEEE 1394b S1/Ethernet: 1 15 MBit/s IEEE 1394b S: 5 5 MBit/s 33

34 Co można znaleźć w obudowie lasera? butterfly TOSA Transmitter Optical Subassembly Konstrukcja modułu laserowego moduł Peltier a (TEC) pady bondingowe monitor emisja z tylnego lustra bonding laser światłowód podłoże ceramiczne 34

35 Moduły: GBIC Gigabit Interface Converter SFP Small Form-factor Plugable 35