Prowadzący: Optoelektronika cz.i Źródła światła dr hab. inŝ. Marcin Lipiński AGH C-3, pok 514,tel.: 12 617 30 20 e-mail: mlipinsk@agh.edu.pl Literatura uzupełniająca: 1.B.E.A. Saleh, M.C.Teich Fundamentals of Photonics Wiley 2007. 2. J.Siuzdak Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej WKŁ 1999. 2. K.Booth Optoelektronika WKŁ 2001. 3. G.Einarsson Podstawy telekomunikacji światłowodowej WKŁ 1998. 1
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.
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
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
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 = 4,135 667 443 10 15 ev s
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
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
Optoelektronika wybrane materiały Pierwiastek/związek materiał E g [ev] λ [µm] µ e µ h przerwa Pierwiastki C 5.47 0.23 1800 1200 S Ge 0.66 1.88 3900 1900 S Si 1.12 1.1 1500 450 S IV-IV SiC 2.99 0.42 400 50 S III-V AlSb 1.58 0.79 200 420 S GaSb 0.72 1.72 5000 850 P GaAs 1.42 0.87 8500 400 P GaP 2.26 0.55 110 75 S InSb 0.17 7.3 80000 1250 P InAs 0.36 3.44 33000 460 P InP 1.35 0.92 4600 150 P II-VI CdS 2.42 0.51 340 50 P CdSe 1.7 0.73 800 P CdTe 1.56 0.8 1050 100 P ZnS 3.68 0.34 5 5 P IV-VI PbS 0.41 3.02 600 700 S PbTe 0.31 4 6000 4000 S
Źródła światła - materiały materiał λ [µm] GaN 0.35 AlGaInP 0.65-0.68 Ga 0.5 In 0.5 P 0.67 Ga 1-x Al x As 0.62-0.9 GaAs 0.9 In 0.73 Ga 0.27 As 0.58 P 0.42 1.31 In 0.58 Ga 0.42 As 0.9 P 0.1 1.55 Są to związki pierwiastków III i V grupy okresowej III grupa B, Al, Ga, In ; V grupa N, P, As.
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
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
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
P λ [mw] 10 8 Właściwości uŝytkowe LED dp λ di A W 6 λ Nachylenie: ε = 4 2 100 200 Charakterystyka robocza LED led I[mA] 13
Właściwości uŝytkowe LED c.d. P λ [mw] 10 8 6 4 2 TWM -1%/ C T[ C] 50 100 Właściwości termiczne - P λ =f(t) I=const 14
Właściwości uŝytkowe LED c.d. P λ (λ) T 1 < T 2 < T 3 λ FWHM - 40 100 nm 0.85 0.9 λ[µm] ZaleŜność widma od temperatury 15
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
Charakterystyka modulacyjna LED H(f m ) 1 0.5 f 3dB f Jest to typowa charakterystyka dolnoprzepustowa 17
LED właściwości uŝytkowe c.d. I okno transmisyjne II okno transmisyjne Zakresy długości fali λ 800 900 nm 1250 1350 nm Szerokość widmowa λ 40 50 nm 70 100 nm Poziomy mocy P λ <300 µw < 100 µw Pasmo modulacyjne < 100 MHz < 500 MHz Koszt 20 50 $ 100 200 $ Zastosowania Połączenia lokalne o niewielkiej lub średniej przepływności; sprzężenie ze światłowodem wielomodowym
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!
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
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
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.
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!!!!
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
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
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
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
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
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
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
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
Konstrukcje specjalne laserów Wyłącznie pracujące w II oraz III oknie lasery jednomodowe DFB i DBR o szerokości spektralnej w przedziale λ - 0.001-0.1 nm. DuŜą sprawność, niski próg i szerokie pasmo modulacyjne zapewnia struktura ze studniami kwantowymi. Lasery precyzyjne z izolatorem i chłodzeniem ogniwami Peltier. 32
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!!
DFB Distributed Feed-Back Wnęka rezonatora optycznego Powłoka antyrefleksyjna Powłoka antyrefleksyjna W laserach DFB wyróŝniony tylko jeden mod wzdłuŝny!!!
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.
Typowe parametry laserów CW AlGaAs (I) InGaAsP (II) InGaAsP (III) λ 0.85µm 1.31µm 1.55µm P λ 0 25dBm -10 +10dBm -3 +10dBm λ 3-6nm 0.1-6nm 0.01-7nm 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
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
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
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 >
Charakterystyka modulacyjna lasera I 0 < I 0 < I 0 H(f m ) 1 0.5 f rel f rel f rel f f rel relaksacja (rezonans), im większy prąd podkładu I 0 tym większa wartość 40
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
Zewnętrzna modulacja światła c.d. Zalety: Wąskie widmo λ Najszersze pasma modulacyjne Wady: Komplikacja Niedogodne sterowanie modulatora Wysokie koszty
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
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
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
Precyzyjny laser telekomunikacyjny Światłowód GRIN + izolator Etalon λ Chip lasera Monitor 1 Cu Monitor 2 Ogniwo Peltier 46 Czujnik PTC
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
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