ELEMENTY OPTOELEKTRONICZNE UKŁADY NADAWCZO-ODBIORCZE Plan wykładu: 1. Oddziaływanie fotonów z materią 2. Fotodioda. Dioda świecąca 4. Lasery półprzewodnikowe 5. Układy odbiorcze 6. Układy nadawcze DOSTĘP DO BIBLIOTEKI Oddziaływanie fotonów z materią pasmo przewodnictwa przerwa energetyczna FOTODIODY pasmo walencyne absorpca emisa spontaniczna emisa wymuszona 1
Fotodioda p-n Fotodioda p-i-n światło + + + + p + + + + absorbowana moc optyczna - + -- -- -- -- - - - - dyfuza - + + + + n unoszenie - dyfuza E c Au/AuSn światło p InP p i n InGaAs 4 µm i InP n n + InP (podłoże) odległość natężenie pola odległość + + E v Fotodioda lawinowa (APD) p i p n - + I Czułość i charakterystyka spektralna 1. I = P q λ = η h c R F λ InGaAs InGaAsP prądy w stanie ustalonym ih() p i e(w) czułość [A/W].5 Si Ge ie() i h(w)= 5 1 15 długość fali [nm] 2
Charakterystyka statyczna fotodiody I odbiornik prąd ciemny diody Pλ = I = U ~5 na Pλ1 Przykładowe parametry fotodiod p-i-n Parametr Si Ge InGaAs długość fali µm.4 1.1.8 1.8 1. 1.7 czułość A/W.4.6.5.7.6.9 sprawność kwantowa % 75 9 5 55 6 7 prąd ciemny na 1 1 5 5 1 2 czas narastania ns.5 1.1.5.5.5 pasmo GHz..6.5 1 5 napięcie V 5 1 6 1 5 6 Przykładowe parametry fotodiod APD Pλ2 ~5 µa Pλ odbiornik U = źródło Parametr Si Ge InGaAs długość fali µm.4 1.1.8 1.8 1. 1.7 czułość A/W 8 1 5 2 wzmocnienie 1 5 5 2 1 4 wsp. k.2.5.7 1.5.7 prąd ciemny na 1 1 5 5 1 2 czas narastania ns.5 1.5.8.1.5 pasmo GHz.2 1.4.7 1 napięcie V 2 25 2 4 2 6 Fotodiody - podsumowanie półzłącze pigtail DIODY ŚWIECĄCE (LED)
Elementy świecące - materiały długość fali [µm] Dioda świecąca (LED) stała sieci [Å] In1-xGaxAs mieszaniny ternarne Ga1-xInxSb InAs1-xPx materiały o wartościowościach III - V przerwa energetyczna: prosta skośna InAsyP1-y ~5 µm SiO 2 metal wytrawiona studnia światło światłowód obszar świecący żywica epoksydowa n - GaAs struktura powierzchniowa (Burrus a) Moc sprzęgnięta do włókna: n - AlGaAs p - GaAs gradientowe - 2 µw p - AlGaAs p + - GaAs ednomodowe - 1-2 µw mieszaniny quaternarne In1-xGaxAsyP1-y metal p + - GaAs p - GaAlAs n - GaAlAs SiO2 światło struktura krawędziowa Moc sprzęgnięta do włókna: gradientowe - 5 µw przerwa energetyczna [ev] n + GaAs podłoże ednomodowe - µw Charakterystyka statyczna moc sprzęgnięta do włókna [%] ZARLINK MF194 85 nm ZARLINK MF41 11 nm Charakterystyka U(I) Charakterystyka spektralna prąd [ma] moc optyczna (edn. względne) napięcie [V] długość fali [nm] prąd [ma] 4
Moc sprzęgnięta do włókna moc sprzęgnięta do włókna [%] moc sprzęgnięta do włókna [%] przesunięcie osiowe z [µm] przesunięcie promieniowe r [µm] Poglądowy model lasera prąd LASERY PÓŁPRZEWODNIKOWE obszar aktywny L płaszczyzny krysta liczne r 1 lus tra ośrodek wzmacniaący z= z =L rezonator Fabry-Perot'a r 2 5
Wzmocnienie w obszarze aktywnym lasera emisa wymuszona Właściwości podstawowych składników lasera: ośrodek aktywny rezonator emisa spontaniczna Rezonator Fabry-Perot (longitudinal confinement) Charakterystyka rezonatora Fabry-Perot 1 E i t r E i exp ( 8 kl ) t r E i exp ( 6 kl ) 2 t r E i exp ( 4 kl ) t re i exp ( 2 kl ) t E i tr E i exp ( 9 kl) tr E i exp ( 7 kl) 2 tr E i exp ( 5 kl ) tr E i exp ( kl) te i exp ( kl) 1 - t, r - zdefiniowane dla MOCY 154 1542 1544 1546 1548 155 1552 1554 1556 1558 156 długość fali [nm] wsp. transmisi [edn. wzgl] 1-1 1-2 r =.9 L = λ r =. 6
Charakterystyka rezonatora Fabry-Perot 1 Warunki akci laserowe wsp. transmisi [edn. wzgl] 1-1 1-2 r =.9 r =. po ziom s tra t we wnęce rezonansowe profil wzmocnienia mod oscyluący L = 1 λ 1-154 1542 1544 1546 1548 155 1552 1554 1556 1558 156 długość fali [nm] mo d y wzd łużne λ Charakterystyka spektralna (FP) Obszar aktywny lasera moc optyczna [edn. względne] długość fali [nm] moc optyczna [edn. względne] długość fali [nm] światło lateral boczny prąd światło longitudinal wzdłużny F-P transversal poprzeczny heterozłącze izolaca złączowa 7
Heterozłącza (transversal confinement) Laser biheterozłączowy (transversal confinement) energia elektronów energia dziur Efv heterozłącze p-p (izotypowe) P Eg2 obszar zubożony p Eg1 elektrony maą pod górkę warstwa akumulacyna heterozłącze p-n (anizotypowe) p Eg1 N Efc energia wsp. załamania prze rwa energetyczna n obszar aktywny ~,2 µ m p pasmo przewodnictwa elektrony pasmo walencyne dziury kierunek przepływu prądu dziury maą pod górkę Eg gęstość mocy profil modu Laser biheterozłączowy (lateral confinement) Charakterystyka statyczna I kontakt metalowy kontakt metalowy SiO2 n - InP n + InP, podłoże grzbiet p - InP p - InGaAsP ridge waveguide n ~.1 weak guiding SiO2 n - InP p - InP n - InP mesa p - InP n + InP, podłoże p - InGaAsP n - InP p - InP burried heterostructure n ~.1 strong guiding moc optyczna [mw] prąd monitora [ma] napięcie przewodzenia [V] lasery index guided obszar świecący ~.1 1µm mało zależny od prądu struącego laser prąd w kierunku przewodzenia [ma] 8
Charakterystyka statyczna II Laser MQW (Multi Quantum Well) Diagram energetyczny moc optyczna [mw] prąd [ma] Podstawowe charakterystyki laserów charakterystyka modulacyna Przykładowe dane katalogowe Lucent D7 12 moc moc optyczna optyczna (skł. (skł. zmienna) [dbm] [db] I B/I th = 1.5 IB/Ith = 6 IB/Ith = 4.5 I B/I th = 6 IB/Ith = 7.5-6 -12 5 1 15 2 częstotliwość modulaci [GHz] 9
Lustra złożone - siatka Bragg a Struktury złożone DFB DBR VCSEL n 1 n 2 n 1 n 2 n 1 n 2 n 1 n 2 r -r r -r r -r r Λ L 2 L 1 r g n 1 n 2 RCLED r g struktura planarna struktura wertykalna Charakterystyki częstotliwościowe faza amplituda [db] -1-2 - 15 1 5-5.8.9 1 1.1 1.2 n =.57 m = 2 współczynnik odbicia faza amplituda [db] -1-2 - 15 1-5.99.995 1 1.5 1.1 5 n = 4*1-4 m = 2 struktura DBR Distributed Bragg Reflector siatki dyfrakcyne Lasery z siatką Bragg a warstwa aktywna struktura DFB Distributed FeedBack Λ warstwa aktywna siatka dyfrakcyna -1-15.8.9 1 1.1 1.2-1 -15.99.995 1 1.5 1.1 1
Lasery DFB Laser DFB klasyczny Lasery DFB charakterystyka spektralna r g1 λ/4 nie oscylue na długości fali Bragg a r g2 Laser DFB z przesunięciem fazy o λ/4 r g1 λ/2 oscylue na długości fali Bragg a r g2 temperatura [ C] Struktury VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) kontakt kontakt emisa światła górny górny p-dbr izolaca n-dbr kontakt kontakt dolny emisa światła dolny struktura typu mesa struktura z implantacą protonów kontakt kontakt górny p-gaas DBR tlenek 22 okresy obszar aktywny DBR 18.5 okresu podłoże n warstwa AR kontakt dolny struktura z aperturą dielektryczną prąd progowy [ma] moc optyczna [mw] 4 2 1 Ith 5 1 15 2 prąd [ma] 8 7 6 5 4 2 1-2 -1 2 4 6 8 1 temperatura [ C] Struktury VCSEL podstawowe charakterystyki napięcie [V] moc (ednostki względne) 4 2 1 5 1 15 2 prąd [ma] 848 85 84 długość fali [nm] 11
RCLED (Resonant Cavity LED) MCLED (MicroCavity LED) FCR/D RCLED ROSA/TOSA stożek światła emisa światła ~4% mocy n 1 n 2 obszar aktywny obszar aktywny emisa światła ~1-12% mocy n 1 n 2 lustra Bragg a moc optyczna 1 mm POF: -1.5 dbm długość fali: 65 nm szerokość spektralna FWHM: 2 nm szybkość modulaci: 25 MBit/s podłoże emisa spontaniczna w ośrodku izotropowym podłoże emisa spontaniczna w mikrownęce Przykładowe obszary zastosowań: przemysł samochodowy IDB 194: 18 m @ 25 MBit/s małe sieci biuro/dom (SOHO): IEEE 194b S1/Ethernet: 1 m @ 125 MBit/s IEEE 194b S2: 5 m @ 25 MBit/s Co można znaleźć w obudowie lasera? UKŁADY ODBIORCZE I NADAWCZE 12
Przykładowy układ odbiorczy Front End Przykładowy układ odbiorczy Limiter Przykładowe układy nadawcze - LED Przykładowe układy nadawcze - laser UCC UCC RC P λ P λ RB RE I MON I LAS UCC UB R I REF k i FDP I POL I MOD IEE ε I P = REF λ 1 I I MOD PR + k k i i k I i + εr R k i REF 1
Przykładowe układy nadawcze - laser moc optyczna [mw] prąd [ma] prąd progowy [ma] temperatura obudowy [ C] [ C] nachylenie charakterystyki [mw/ma] temperatura obudowy [ C] [ C] UCC C UCC R * MON UB UMOD UREF RE I * MOD 14