optoelectrÓnica: logros y perspectivassilver.udg.edu/sip/arxius/optoimpr.pdf · 2004-11-17 ·...

OPTOELECTRÓNICA:Logros y perspectivas

¿ Por qué OPTO...?POSIBILIDADES

DE LA LUZ APLICACIONES

• Generación fotovoltaica• Procesado, impresión,…

• Instrumentación y control

• Vídeo y fotografía

• Visión nocturna• Sensores

• Visualizadores

• Almacenamiento óptico• Comunicación óptica

• Investigación

Rapidez ( 3·108 m/s )

Posibilidad de enfoque

Visible para 0.4 - 0.7 µm

Detección a distancia

Variedad de λ

Energía solar

Inmune a perturbaciones

Formación de imágenes

Modificación de materialesInteracción selectiva

••

•

•

••

•

••

•

hν (eV)3 1.6 0.8

λ (µm)0.4 0.7 1.6

visible comunicación

UV NIR MIR

sensores yprocesado IR

térmico

Longitudes de onda de interés

GaPSiC GaAs Si GeEg (eV)

⇒ Visible y NIR≈ Eg de los semiconductores

Semiconductoresinteracción con la luz

Recombinación ⇒ emisiónGeneración e- h ⇒ detección

¿ Por qué ...electrónica ?

Prestaciones:• Bajo coste• Rapidez eléctrica• Bajo consumo

• Pequeño tamaño• Fiabilidad

fotón hν >Eg

electrón

hueco +

-

hν

BC

BVI

Eg fotón hν =Eg

hueco +

electrón-BC

BV

Eg

“electrónicas” o específicasAplicaciónes:

Introducción

• Fotodetectores: receptores, lectores y sensores

Perspectivas y conclusiones

Guión

• Los diodos láser y sus aplicaciones

• Los LED: los emisores más sencillos

• Cámaras digitales

Qué semiconductores utilizamos

Motivación

Qué semiconductores utilizamos

Absorción banda a banda

semicond. directos semicond. indirectos

Para hν > Eg ⇒ absorcion de la luz⇒ atenuación : φ(x) = φ(0)·exp(-αx)α = coef. de absorción; L = 1/α

muy probable (L ≈1µm) poco probable (L ≈100 µm)

• Lo importante es que λ<1.24/Eg• …Pero en ambos casos ocurre

• Para 1.3 y 1.55 µm: Ge o GaInAs• El silicio vale para λ < 1.1 µm

Emisión de luz

• directo• Eg ≈ h ν• λ’s intermedia?• evitar R no radiativa

⇒ aleaciones⇒ un semic. para cada λ

⇒ buena calidad

⇒ semic. III-V (difícil para λ «)

¿Qué semiconductor ?Ge 0.7 ISi 1.1 I

InAs 0.4 DInP 1.4 D

GaAs 1.5 DGaP 2.3 I*AlAs 2.4 I

semic. Eg (eV)

III-V

IV

semiconductores directos semiconductores indirectos

Recomb. radiativa probableposible emisión

Recomb. no radiativano emisión

Diodos emisores de luz (LEDs)Los emisores más sencillos

•Inyección de corriente

•Popt = η· IF

•Recombinacion (b-b o d-b)

Características: ej.: GaAsVF ~ 1.2 V

∆λ ∝ kT ~ 30 nm

Para b-b, λ ~ λg 0.9µm

f ~ 1/τ < 100 MHz

Alta fiabilidad

LED de visible

↑ visibilidad↑ colores

• Difícil : η grande y λ corta

• Deseable para:

• Respuesta visual:

material tipo substr. colorGaAs D ☺ ☺ IR

GaInN D+imp& ☺ blanco

LED de visible

GaAsP D ☺

año70 80 90

100

10

1

Lm/W

AlGaInP D ☺ ☺AlGaAs D ☺ ☺GaAsP: N I+ impGaP: N I+ imp ☺GaP: ZnO I+ imp ☺

GaInN D+imp ☺

Aplicaciones de los LED de visible

Coste deoperación

instalación

3 - 5 años tiempo

LED

incandescente

LED de infrarrojo (IRED)

• GaAs: 0.95 µm ∼ 1 MHz

• AlxGa1-xAs/GaAs: 0.85 µm ∼ 100 MHz

• GaInAsP/InP: com.ópticas ∼ 100 MHz

GaAsAlGaAs AlGaAs

Ec

Ev

Introducción

IR cercano: CDs y láseres de potencia

Visible: DVDs y láseres de nitruros

Comunicación por fibra óptica

• Fotodetectores

Perspectivas y conclusiones

• Los diodos láser y sus aplicaciones

WDM: multiplicando la capacidad de la fibra

Micro-óptica y laseres de cavidad vertical

• Los LED: los emisores más sencillos

• Cámaras digitales

En qué se basa el láser

electrónBC

BV

hνhν

Fotónhν = E2-E1

E2

E1

Emisión estimulada• amplificación de luz

• t < t espontaneo

• coherencia

Inversión de población• absorcion < em. estim.• requiere bombear electrones

electrónBC

BV

hνhν

Fotónhν = E2-E1

E2

E1

Qué es un láser

Amplificador óptico coherente

con realimentación óptica• cavidad resonante• inyección umbral(inversión umbral)

Diodos láserFuncionamiento

• Corriente umbral

• Eficiencia

• Potencia

• Rapidez

• “Monocromáticidad”

• Estabilidad

• Fiabilidad

Diodos láserEstructura

Zona activaQW (tensado)• amplificación

Guia de ondas(n1 > n2)• realimentación• confina e-h

“Cladding”p+ , n+• inyeccion• confinar luz

espejos

Mapa de los diodos láser

750 - 980 nm baja potencia (AlGaAs)

750 - 980 nm alta potencia (AlGaAs)

630- 670 nm baja potencia (visible)

1.3 y 1.55 µm altas prestaciones (GaInAs)

Láseres de cavidad vertical (AlGaAs)

Láseres de AlGaAsLectores de CD

780 nm (rojo-IR)

P=5 mW

Control en potencia

IF(normal)= 50-60 mA

IF(defectuoso)= 100 mA

LD+PDmon + óptica+ PDslect

Laser printer

potencia moderadaLáseres de AlGaAs

Alta potencia: “arrays” y “stacks”Láseres de AlGaAs

¿ Cuánta Popt pueden dar ?< 1 W cw a fibra 1mod

< 10 W cw por tira< 100 W cw por “array”

< 1000 W qcw por “stack”

LASER-DIODE ARRAY

¿ Qué hay que optimizar ?Estructura (QW tensados, rs«,.. )Fiabilidad (recubrir los espejos)

Disipación térmica

Bombeo de láseres de estado sólido

Aplicaciones de diodos láser de alta potencia

Aplicaciones industriales

Diodos láser de visible

Interés: visible, menor λMateriales: GaInP λ ≈ 670 nm

AlGaInP λ ≈ 630 nm Color: rojo V630nm > V670nm

Aplicación: punterosinstrumentacióncódigos de barraslectores ópticos (DVD)

(visible)

(menor λ)

Diodos láser de visiblelectores de códigos de barras

Diodos láser de visible: DVD

Dic. 94 Sony y Philips anuncian el MM-DCEn. 95 Toshiba y otros anuncianel SuperDensityDic.95 acuerdo: DVD (Digital Versatil Disk)Abril 97 acuerdos sobre protección de copia

Medio físico:• Caracteristicas comunes para

DVD-video, audio, ROM, RAM, R, RW• Mismas dimensiones del CD• Capacidad: 4.7 Gb por cara y capa

135 min de video a ∼5Mb/s

De donde viene el aumento?Puntos: x 4.5 (2.12) (↓ λ ⇒ x 1.5 )Datos/puntos: x 1.5 650 nm, 5mW

⇒ Datos: x 7

Láseres violeta: GaNDificultades tecnológicas Resultados: Nakamura (1996, 1999)

λp Ptip Ith VF0.4 µm 5 mW 45 mA 5V

• instrumentación científica• nuevos DVD ?

APLICACIONES

La fibra óptica• Optica guiada n1>n2 • Dispersión

• Atenuación• “Ventanas para”:

λ = 0.9, 1.3 y 1.55 µm

• Monomodo o multimodo

Emisores para fibra óptica

•Minimizar atenuacion•Minimizar dispersion•Rapidez•Eficiencia•Fiabilidad•Acoplamiento a fibra

Emisores para fibra óptica

Inserción en fibra• alineamiento• acoplamiento• estrategias de micro-óptica

Respuesta en frecuencia• > 10 GHz• eliminar RC parásitas• ↑IF⇒↑ f3dB

Emisores para fibra ópticaLáseres monomodo

Comunicación óptica a larga distanciamodal

espectral⇒ Fibras monomodo⇒ láseres monomodo

en la fibra→ “dispersión”

DFB

DBR

Amplificadores opticosFibra óptica dopada con erbio (EDF)

• Comunicación óptica a larga distancia→ atenuación ⇒ necesidad de amplificadores

O/E E/O

óptico ópticoeléctrico

ARepetidores

eléctricosRetardosRuido de conversiónD ∼75Km

óptico

AAmplificadores

ópticos

EDFA: ganancia en 1.55 µm

Alta gananciaRapidezBajo ruido

BOMBEO

Bombeo con láser980 nm o 1480 nm

WDM vs TDM

Multiplexación pordivisión en el tiempo

Multiplexación por división en longitudes de onda

• DWDM: canales ITU-T• hasta 40 x 10 GHz

Sistema WDM completo

Emisores para WDM denso

•Ajustables por temperatura

•Ajustables eléctricamente

•Ajustados por fibra

• ( Modulación externa )interferométricoelectroabsorción

2

4

6

8

10

1999 2001 2003

año

Mile

s de

equ

ipos

WDM en 1999

EEUU y Canadá 83%

Europa occidental

13%

Asia y Pacífico

4% Resto del mundo0%

Larga distancia

91%

Corta distancia

7%

Empresas2%

WDM en 2003

EEUU y Canadá 59%

Europa occidental

23%

Asia y Pacífico 13%

Resto del mundo5%

Larga distancia

65%

Corta distancia

30%

Empresas5%

WDM en cifras

Evolución del WDM

WDM

SONET/SDH

Laseres de cavidad vertical

•Reflectores de BraggGaAs/AlAs

•Monomodo•Haz circular•Matrices 2D•Acoplamiento a fibra•Buses opticos en 1a v.

array de VCSELsλ = 850 nm 0.8 mW

200 Mbit/s

10 x 2 canales4 Gbit/s

dmax = 300 m

array de PDsBER > 10E-14

(1995)

array de VCSELsλ = 850 nm 0.8 mW

200 Mbit/s

10 x 2 canales4 Gbit/s

dmax = 300 m

array de PDsBER > 10E-14

(1995)

Introducción

• Fotodetectores

Perspectivas y conclusiones

Los diodos láser y sus aplicaciones

Los LED: los emisores más sencillos

• Cámaras digitales

Fotodidodos de Si: IrDA, sensores y otros

Receptores para fibra óptica

•Receptores: FO, control remoto•Lectores: CD - DVD - código de barras•Sensores: presencia, composición•Monitores: control de láseres•Cámaras: vídeo, visión nocturna

TIPOSfotoeléctricos

térmicos

dispositivos de vacío

semiconductores

fotoconductores

fotodiodos

Fotodetectores

cámaras

Células fotovoltaicas Fotodiodos

+ -Vph

Φ

←⎯iph

Como batería... Como detector: Φ ⇒ ip

Fotodiodos (PDs)

Optimizar: señal / ruido (↑ip, ↓i0 )rapidezlinealidad

Fotogeneración en una unión PN

ZCE: G arrastren : G difusión arrastrep : G difusión arrastre

recomb.

x

Popt (1-R)

P(x) = Popt(1-R)e-αx

G(x) = α·P(x)/A

I(V;Φ) = I(V;0) - Iph

Modo Fotoconductivo Modo Fotovoltaico

Polarización inversa

Características I(V) de los PDs

FotoconductorI

VΦ=0

Φ>0

i = i0(exp(V/nVT)-1) - iph

v=0 ⇒ i = - iph∝ Popt

i = - (i0 + iph)

i=0 ⇒ v ≈ vT·ln(iph/i0)

Respuesta espectral de los PDs

• S(A/W) ∝ η·λ• directos vs. indirectos

• límite λ cortas

• visible: 0.4-0.7 µm

FO: 1.3, 1.55µm

Nd:YAG: 1.064 µm

IR térmico: 3 - 5 , 8 -14 µm

→ GaInAs

GaAs-IRED:≈0.9µmSi

→ otros: InAs, HgCdTe...

Fotodiodos de silicio

Ej: PD Epitaxial

AplicacionesMedición de luz

FotometríaEspectrometríaControl de láseres

Recepción o lectura de datos o señalLectores de CD y DVDBuses ópticosRedes localesControl remoto y comunicación IRLectores de código de barrasOptoacopladores

SensoresProximidadComposicionesDetección remotaInterferométricosEn guía de onda

Comunicación IR: protocolos IrDA

• 9600-115 Kb/s (IrDA1.0), y hasta 4Mb/s (IrDA1.1)

• Hasta 8 “periféricos”• Bajo coste. Bajo consumo. Bidireccional

LED + PDλ = 850 - 900 nm

trise < 80 nsP = 0.4 -1250 µW/cm2

d ∼2 m . BER = 10-4

Fotodiodos para comunicación

sólo arrastre ⇒ rapidez

α« fuera de la ZCE

(iluminación por detrás)

no recomb. superficial

OJO: ajuste parámetros de red

GaInAs/InP

Rango: 0.9 - 1.7 µm

Receptores de GaInAs: optimización de la f3dB

η*= 1- exp(-αW)W < 0.35·v / f3dBA < 0.16·W / (ε·RL·f3dB)tiempo de carga

τ = RLC

tiempo de tránsitoτ = v·W

Tecnología de hibridación

Convencional

Tecnología flip-chip:• ↓ C y L parásitas• iluminación por detrás

• ↑ area libre

Receptor para comunicación por fibra óptica

• PIN de GaInAs/InP• IC Preamplificadorde GaAs + Si-IC

• flip-chip↓ tamaño, ↓ consumo↑ fiabilidad

• Acoplo a fibra• SONET OC-48

(2488.32 MHz)

•Multiplicación por avalancha

• Ganancia ≈ exp (- αe W)

αe(campo eléctrico)

Fotodiodos de avalancha

Estructuras SAMReceptores: GaInAs/InP PDsAplicaciones de baja señal

G · (señal) PD

G·M·(ruido)PD

___________________________________

+ (ruido)CIRCSNR=

Fotodiodos en guía de ondas

Ventaja: disociar τ y η→ posible: η·f3dB >20 GHz

Dificultad : acoplar la luz

• Integración monolítica con guía de onda pasiva (guía de entrada)

• Acoplamiento de campo evanescente a la guía activa

Ejemplo:

Fotodiodos en guía de ondas

λ =1.55 µm f3dB=45 GHzℜ=0.22 A/W (1998)

Ejemplo:

CCD y CMOS

Cámaras para IR térmico

Introducción

• Fotodetectores

Perspectivas y conclusiones

Los diodos láser y sus aplicaciones

Los LED: los emisores más sencillos

• Cámaras digitales

Cámaras CMOS con convertidores A/Den cada pixel (Kodad, Canon, HP & Intel, 1998)Tecnología 0.35 umpixels 9um x 9um y 25% “fill factor”

ventajas: menor ruido, menor consumo, simplificación del diseño y fácil escalabilidad

Cámaras CMOS

Cámaras para el IR térmico

• 3-6 , 8-12 m• nocturna• Mapas de temperatura• “NET”• refrigeración

Cámaras para el IR térmico

Camaras micromecanizadas

• Microbolometros

• Deflexion

Sin refrigerar

Nuevas ideas

• Emisores basados en nuevos materiales

• Láseres de punto cuantico

• Láseres de cascada cuantica

• Detectores inter-subbanda

• Fotodiodos y LEDs de cavidad resonante

• Fotodetectores integrados

• Interconexión optica

• etc...

Conclusiones

• Importancia de los materiales (emisores)

• Dispositivos y sistemas

• Electrónica sencilla

• Rica fenomenología

• Primacía de los láseres

• Aplicaciones electrónicas y específicas

• Importancia de I+D y mercado