ELEMENTY OPTOELEKTRONICZNE

Podobne dokumenty
ELEMENTY OPTOELEKTRONICZNE UKŁADY NADAWCZO-ODBIORCZE

Optyczne elementy aktywne

Rezonatory ze zwierciadłem Bragga

Optoelektronika cz.i Źródła światła

Repeta z wykładu nr 8. Detekcja światła. Przypomnienie. Efekt fotoelektryczny

Lasery półprzewodnikowe. przewodnikowe. Bernard Ziętek

Źródła światła w technice światłowodowej - podstawy

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

Sprzęganie światłowodu z półprzewodnikowymi źródłami światła (stanowisko nr 5)

Fotodetektory. Fotodetektor to przyrząd, który mierzy strumień fotonów bądź moc optyczną przetwarzając energię fotonów na inny użyteczny sygnał

PODSTAWY FIZYKI LASERÓW Wstęp

Repeta z wykładu nr 4. Detekcja światła. Dygresja. Plan na dzisiaj

II. WYBRANE LASERY. BERNARD ZIĘTEK IF UMK /~bezet

6. Emisja światła, diody LED i lasery polprzewodnikowe

Fizyka Laserów wykład 10. Czesław Radzewicz

Równanie Shockley a. Potencjał wbudowany

OPTOTELEKOMUNIKACJA. dr inż. Piotr Stępczak 1

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

!!!DEL są źródłami światła niespójnego.

Wykład IV. Dioda elektroluminescencyjna Laser półprzewodnikowy

ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNE

ELEMENTY SIECI ŚWIATŁOWODOWEJ

Lasery półprzewodnikowe na złączu p-n. Laser półprzewodnikowy a dioda świecąca

Wprowadzenie do optyki nieliniowej

Technika laserowa, otrzymywanie krótkich impulsów Praca impulsowa

Widmo promieniowania elektromagnetycznego Czułość oka człowieka

Postawy sprzętowe budowania sieci światłowodowych

VI. Elementy techniki, lasery

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

A21, B21, B12 współczynniki wprowadzone przez Einsteina w 1917 r.

Spektroskopia modulacyjna

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

1 Źródła i detektory. I. Badanie charakterystyki spektralnej nietermicznych źródeł promieniowania elektromagnetycznego

Wykład 5 Fotodetektory, ogniwa słoneczne

Ryszard J. Barczyński, 2012 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

Wykład IV. Półprzewodniki samoistne i domieszkowe

UMO-2011/01/B/ST7/06234

Wykład 5 Fotodetektory, ogniwa słoneczne

Opracowanie nowych koncepcji emiterów azotkowych ( nm) w celu ich wykorzystania w sensorach chemicznych, biologicznych i medycznych.

Część 2. Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć przy pomocy przyrządów półprzewodnikowych

półprzewodniki Plan na dzisiaj Optyka nanostruktur Struktura krystaliczna Dygresja Sebastian Maćkowski

Repeta z wykładu nr 5. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Złącze p-n. złącze p-n

Optyka instrumentalna

Wzmacniacze optyczne ZARYS PODSTAW

Fizyka Laserów wykład 6. Czesław Radzewicz

Układy nieliniowe - przypomnienie

Lasery. Własności światła laserowego Zasada działania Rodzaje laserów

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

LASERY NA CIELE STAŁYM BERNARD ZIĘTEK

Repeta z wykładu nr 2. Detekcja światła. Parametry fotodetektorów. Co to jest detektor?

Wykład V Złącze P-N 1

Repeta z wykładu nr 10. Detekcja światła. Kondensator MOS. Plan na dzisiaj. fotopowielacz, część 2 MCP (detektor wielokanałowy) streak camera

Właściwości światła laserowego

Fotodetektor. Odpowiedź detektora światłowodowego. Nachylenie (czułość) ~0.9 ma/mw. nachylenie = czułość (ma/mw) Prąd wyjściowy (ma)

Wykłady 10: Kryształy fotoniczne, fale Blocha, fotoniczna przerwa wzbroniona, zwierciadła Bragga i odbicie omnidirectional

n n 1 2 = exp( ε ε ) 1 / kt = exp( hν / kt) (23) 2 to wzór (22) przejdzie w następującą równość: ρ (ν) = B B A / B 2 1 hν exp( ) 1 kt (24)

Właściwości optyczne. Oddziaływanie światła z materiałem. Widmo światła widzialnego MATERIAŁ

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Ćw.3. Wykrywanie źródeł infradźwięków

Wzrost pseudomorficzny. Optyka nanostruktur. Mody wzrostu. Ekscyton. Sebastian Maćkowski

Nanostruktury i nanotechnologie

Urządzenia półprzewodnikowe

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

UNIWERSYTET SZCZECIŃSKI INSTYTUT FIZYKI ZAKŁAD FIZYKI CIAŁA STAŁEGO. Ćwiczenie laboratoryjne Nr.2. Elektroluminescencja

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STUDIA DZIENNE. Wpływ oświetlenia na półprzewodnik oraz na złącze p-n

Zakres wykładu. Detekcja światła. Zakres wykładu. Zakres wykładu

Piotr Targowski i Bernard Ziętek LASER PÓŁPRZEWODNIKOWY

Prawo Ohma. qnv. E ρ U I R U>0V. v u E +

Wykład XIV: Właściwości optyczne. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Technologii Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

ĆWICZENIE Nr 4 LABORATORIUM FIZYKI KRYSZTAŁÓW STAŁYCH. Badanie krawędzi absorpcji podstawowej w kryształach półprzewodników POLITECHNIKA ŁÓDZKA

Teoria pasmowa ciał stałych Zastosowanie półprzewodników

Półprzewodniki samoistne. Struktura krystaliczna

Laser półprzewodnikowy

Lasery - konstrukcje i parametry. Sergiusz Patela Lasery - konstrukcje 1

Teoria pasmowa. Anna Pietnoczka

Ćw.2. Prawo stygnięcia Newtona

I. DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA

Przejścia promieniste

Skończona studnia potencjału

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Lasery. Własności światła laserowego Zasada działania Rodzaje laserów

Wykład 7. Złącza półprzewodnikowe - przyrządy półprzewodnikowe

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych. Fizyka II, lato

GŁÓWNE CECHY ŚWIATŁA LASEROWEGO

9. Struktury półprzewodnikowe

Autokoherentny pomiar widma laserów półprzewodnikowych. autorzy: Łukasz Długosz Jacek Konieczny

Laser półprzewodnikowy

Lasery półprzewodnikowe historia

V. DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA

Źródła światła: Lampy (termiczne) na ogół wymagają filtrów. Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 3 1/18

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Mateusz Winkowski, Jan Szczepanek

i elementy z półprzewodników homogenicznych część II

Ponadto, jeśli fala charakteryzuje się sferycznym czołem falowym, powyższy wzór można zapisać w następujący sposób:

Własności światła laserowego

39 DUALIZM KORPUSKULARNO FALOWY.

Różnorodne zjawiska w rezonatorze Fala stojąca modu TEM m,n

Wykład 12: prowadzenie światła

Wprowadzenie do ekscytonów

Transkrypt:

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

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

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

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

Sprawność kwantowa 1 sprawność s pr. kw. kwantowa 1-1 1 - α A =1µm -1 α A =.1µm -1 1-3 1-1 -1 1 1 1 1 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

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

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 4 @.5x1 5 V/cm W = 5µ M 148 α e x W = 1 M (przebicie lawinowe) 7

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

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 EPM745.8.4. 4 8 1 napięcie wsteczne [V] 4 8 1 napięcie wsteczne [V] 9

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

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

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 1-5 1 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

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

ASERY PÓŁPRZEWODNIKOWE 14

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

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

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 4 3 3 ( 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

Charakterystyka rezonatora Fabry-Perot 1 wsp. transmisji [jedn. wzgl] 1-1 1 - r =.9 wsp. transmisji [jedn. wzgl] = 3 λ r =.3 1-3 154 154 1544 1546 1548 155 155 1554 1556 1558 156 długość fali [nm] 1 1-1 1 - r =.9 r =.3 = 1 λ 1-3 154 154 1544 1546 1548 155 155 1554 1556 1558 156 długość fali [nm] Warunki akcji laserowej poziom strat we wnęce rezonansowej mod oscylujacy mody wzdłużne 18

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 = = =

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

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

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

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

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

Charakterystyka modulacyjna (AC) 5-5 -1-15 Ibias = 3 ma Ibias = 35 ma Ibias = 4 ma - -5 3MHz 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

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

aser MQW (Multi Quantum Well) Diagram energetyczny asery QD (Quantum Dot) http://www.qdlaser.com 7

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

Charakterystyki częstotliwościowe n =.57 m = współczynnik odbicia n = 4*1-4 m = faza amplituda [db] -1 - -3.8.9 1 1.1 1. 15 1 5-5 faza amplituda [db] -1 - -3.99.995 1 1.5 1.1 15 1 5-5 -1-1 -15-15.8.9 1 1.1 1..99.995 1 1.5 1.1 asery z siatkami Bragg a laser DBR laser DFB laser VCSE (DBR) 9

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

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

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] 5 1 15 prąd [ma] 8 7 6 5 4 3 1 - -1 prąd [ma] 4 6 8 1 temperatura [ C] temperatura [ C] moc (jednostki względne) moc [jedn. wzgl.] 5 1 15 prąd [ma] prąd [ma] 843 848 853 długość fali [nm] długość fali [nm] Porównanie widm optycznych λ -5 nm @ 131 nm λ <.1 nm λ.5 nm @ 85 nm moc optyczna [jedn. względne] moc [jedn. wzgl.] moc (jednostki względne) 843 848 853 długość fali [nm] [nm] długość fali [nm] laser FP laser DFB laser VCSE 3

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 m @ 5 MBit/s małe sieci biuro/dom (SOHO): IEEE 1394b S1/Ethernet: 1 m @ 15 MBit/s IEEE 1394b S: 5 m @ 5 MBit/s 33

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

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