Betty Karina Uribe Barrera

C.I. 19.359.4449

Electrónica del Estado Sólido

Sección 1

EL LÁSER DFB, DBR, VCSEL Y FABRY PEROT. EL DIODO FOTO DETECTOR PIN Y DE AVALANCHA APD.

LÁSER DFB

El láser de retroalimentación distribuida (DFB) es un tipo de diodo láser. El láser de cascada cuántica o láser de fibra óptica en su forma periódica presenta la región activa del dispositivo estructurada como una rejilla de difracción. La estructura se basa en una rejilla de una gran interferencias de dimensiones (Bragg dispersión) y la rejilla óptica proporciona información para el láser.

Los diodos DFB láser no utilizan dos espejos para formar la cavidad óptica (ya que se utilizan en los diseños de láser convencional). La rejilla actúa como elemento de longitud de onda selectiva para al menos uno de los espejos y proporciona la retroalimentación, lo que refleja la luz hacia la cavidad para formar el resonador. La rejilla está construida de manera que refleje sólo una banda estrecha de longitudes de onda, y por lo tanto producir un solo modo longitudinal láser. Esto está en contraste con un láser Fabry-Perot, donde las facetas de la forma de chip de los dos espejos proporcionan la retroalimentación. En ese caso, los espejos son de banda ancha y las funciones del láser en varios modos longitudinales se presentan en forma simultánea o salta fácilmente entre estos modos longitudinales. La alteración de la temperatura del dispositivo hace que el tono de la rejilla para el cambio sea sensible, debido a la dependencia del índice de refracción de la temperatura. Esta dependencia es causada por un cambio en la banda prohibida del semiconductor láser con la temperatura y la expansión térmica. Un cambio en el índice de refracción cambia la selección de longitud de onda de la estructura de rejilla y por lo tanto la longitud de onda de la salida del láser. El rango de ajuste suele ser del orden de 6 nm de un ~ 50 K (90 ° F) el cambio en la temperatura, mientras que el ancho de línea de un láser DFB es un MHz.Como un cambio de corriente provoca un cambio de

temperatura en el interior del dispositivo, la alteración de la corriente de alimentación del láser también ajusta el dispositivo. El DFB se utiliza a menudo en aplicaciones de comunicaciones ópticas, tales como DWDM donde se desea una señal de láser sintonizable, así como en las aplicaciones de detección de gases, donde se detecta la señal de la absorción de gas. Los láseres DFB son una alternativa rentable, siempre que la selección de longitud de onda o el ajuste sea necesaria.

LÁSER DBR

ESQUEMA

Un láser sintonizable DBR consiste en varias secciones:

- La sección de ganancia donde la radiación láser es generada.

- La sección de la fase, la que permite evitar el modo de saltos durante el ajuste y la modulación de la potencia de salida.

- La sección DBR con una rejilla integrada que actúa como un filtro de modo longitudinal.

-La sección de absorción sincroniza los modos láser longitudinal y por lo tanto permite la generación de pulsos mediante el bloqueo de modo.

-La sección de la cavidad es necesaria para alcanzar la longitud requerida por ejemplo 10 mm para una frecuencia de repetición de 4GHz.

APLICACIONES

-Espacio libre de comunicación

-espectroscopia

-Conversión de frecuencia no lineal

-Metrología para mediciones de alta precisión de la longitud

-Resolución en tiempo de espectroscopia fluorescente

LONGITUD DE ONDA

920 nm

1060 nm

1083 nm

CHIP DE TECNOLOGÍA

-Varios pasos MOVPE epitaxia

-Después de la primera epitaxia: Realización de la rejilla de Bragg para la estabilización de la frecuencia con la litografía y el grabado holográfico

-El crecimiento excesivo de la cuenta de la estructura del DBR con MOVPE a un paso del segundo epitaxial.

-Cresta de onda guía de la tecnología láser

MONTAJE

-AlN Submounts

-9 mm SOT paquete

-TO3 paquete

-C-mount

-RF-adaptado titular para el bloqueo de modo activo

DATOS TÍPICOS

-Potencia de salida ≤ 300 mW

-Ancho de la línea espectral <5 MHz en corriente de excitación directa

-Rango de ajuste continuo: 50 GHz

-Generación de pulsos con las tasas de repetición hasta el rango de GHz con Q-Switching

-Generación de pulsos con las tasas de repetición de alrededor de 4 GHz usando el modo de bloqueo

-Longitud del pulso en el rango entre 2 y ps 100 ms

LÁSER VCSEL

VCSEL ( Vertical Cavity Surface Emitting Laser ). Láser de emisión superficial con cavidad vertical , es un diodo semiconductor que emite luz en un haz cilíndrico vertical de la superficie de un oblea, y ofrece ventajas significativas cuando se compara con láser de emisión lateral comúnmente cuando se compara con láser de emisión lateral comúnmente usados en la mayoría de comunicaciones por fibra óptica.

Los VCSELs pueden ser construidos con GaAs, InGaAs.

ESTRUCTURA

Construcción de un VCSEL

Para el funcionamiento del VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) se requiere de una región activa de emisión de luz encerrada en un resonador que consta de dos espejos. En este caso, los espejos son parte de las películas epitaxiales, por lo que estas películas se sobreponen formando una pila. Estos espejos son conocidos como reflectores distribuidos de Bragg (DBRs). Los reflectores distribuidos de Bragg (DBRs), llegan a formar espesor usando entre entre 40 60 pelíc las en cada DBR prod ciéndose n espesor total de 40 y 60 películas en cada DBR, produciéndose un espesor total de 6μm –8μm. Para crear la unión p-n se necesita que un DBR este dopado para hacerlo semiconductor tipo n y el otro DBR tipo p.

Estructura de un VCSEL (a) Implantación de protones y (b) Mesa – tipo oxido confinado.

Los VCSELs tienen alto rendimiento y bajo costo, algunas de sus características son:

1.- La estructura puede ser integrada en una configuración de arreglos de 2 dimensiones estructura puede ser integrada en una configuración de arreglos de 2 dimensiones.

2.- Su haz circular y baja divergencia eliminan la necesidad de óptica correctiva.

3.- Comercialmente la corriente de umbral de un VCSEL es de aproximadamente 4 mA.

4.- Alcanza potencias ópticas del orden de 10 mW.

5.- Su ancho espectral ( Dl ) es de aproximadamente 1nm.

6.- Su longitud de onda central es de aproximadamente 850 nm.

7.- Se puede aplicar un VCSEL en transmisión de datos en el rango de velocidad de 100 Mbs a 1 Gbs.

LÁSER FABRY PEROT

Es un oscilador de láser en el que dos espejos están separados por un medio amplificador, con una polarización invertida, haciendo una cavidad Fabry-Perot. Todos los diodos láser estándar son de Fabry-Perot.

Cavidad Fabry Perot

Una cavidad de Fabry-Perot es la cavidad de serie con dos espejos altamente reflectante donde rebota la luz hacia atrás y adelante, formando una onda estacionaria. Esta cavidad no es muy selectiva en frecuencia, en teoría, se podría tener una luz de longitud de onda 0.001 mm y longitud de onda de la luz Micron en la misma cavidad, siempre y cuando los espejos están a la distancia adecuada de separación para formar una onda estacionaria.Fabry-Perot láser se hacen con una región de ganancia y un par de espejos en las facetas, pero la selectividad de longitud de ondasólo es de la longitud de onda y la ganancia y la exigencia de un número entero de longitudes de onda en una cavidad de ida y vuelta. Una de Fabry-Perot, por definición, consiste en dos espejos planos, pero el término es hoy en día muy a menudo también se utiliza para resonadores con espejos curvos. Desde un punto de vista

teórico, el avión de plano resonadores ópticos sonespeciales en el sentido de que sus modos del resonador se extienden hasta los bordes de los espejos y la experiencia dealgunas pérdidas de difracción. Sin embargo, Fabry-Perots se utilizan generalmente con vigas de entrada de un diámetro mucho menor, que en realidad no son realmente adaptado a los modos del resonador. Para las distancias espejo por lo generalpequeñas, donde la difracción en un ida y vuelta es bastante débil,esta desviación no importa tanto.

DIODO FOTODETECTOR PIN

Se llama diodo PIN a una estructura de tres capas, siendo la intermedia semiconductor

intrínseco, y las externas, una de tipo P y la otra tipo N (estructura P-I-N que da nombre al

diodo). Sin embargo, en la práctica, la capa intrínseca se sustituye bien por una capa tipo P de

alta resistividad (π) o bien por una capa n de alta resistividad (ν).

El diodo PIN puede ejercer, entre otras cosas, como:

conmutador de RF

resistencia variable

protector de sobretensiones

fotodetector

Fotodiodo PIN

El fotodiodo PIN es uno de los fotodetectores más comunes, debido a que la capa intrínseca se

puede modificar para optimizar su eficiencia cuántica y margen de frecuencia.siendo así un

material intrínseco semiconductor

Conmutador

El diodo PIN se puede utilizar como conmutador de microondas. Tiene capacidad para manejar

alta potencia.

DIODO AVALANCHA APD

Los fotodiodos de avalancha (APDs) son fotodetectores que se pueden considerar como el

equivalente semiconductor de losfotomultiplicadores. Aplicando un alto voltaje en inversa

(típicamente 100-200 V en silicio), los APD muestran un efecto interno de ganancia de

corriente (aproximadamente 100) debido a la ionización de impacto (Efecto avalancha). Sin

embargo, algunos APD de silicio emplean un dopaje alternativo y otras técnicas que permiten

aplicar un voltaje mayor (> 1500 V) antes de alcanzar el efecto de avalancha y, por tanto, una

ganancia mayor (> 1000). En general, cuanto mayor es el voltaje en inversa, mayor es la

ganancia. Entre las distintas expresiones para el factor de multiplicación de los APD (M), una

expresión instructiva viene dada por la fórmula

donde L es el límite del espacio de carga para los electrones y α es el coeficiente de

multiplicación de los electrones (y agujeros). Este coeficiente tiene una fuerte dependencia de

la intensidad del campo eléctrico aplicado, de la temperatura, y del perfil de dopaje. Puesto

que la ganancia de los APD varía fuertemente con la tensión en inversa aplicada y con la

temperatura, es necesario controlar esta tensión en inversa para obtener un valor estable de

ganancia. Los fotodiodos de avalancha son, por lo tanto, más sensibles que otros fotodiodos

semiconductores.

Si se requiere una ganancia muy alta (de 105 a 106), algunos APDs pueden operar con una

tensión en inversa por encima de la tensión de ruptura. En este caso, el APD necesita tener la

corriente limitada y disminuida rápidamente. Se han utilizado técnicas activas y pasivas de

control de intensidad con este propósito. Los APD que operan en este régimen de ganancia

están en modo Geiger. Este modo es particularmente útil para la detección de fotones aislados

suponiendo que la corriente de oscuridad sea lo suficientemente baja. Formando una matriz

con centenares o miles de APDs se construye un fotomultiplicador de silicio.

Una aplicación típica de los APD es el telémetro laser y la telecomunicación de larga distancia

por fibra óptica. Nuevas aplicaciones incluyen la tomografía por emisión de positrones, la física

de partículas y la física de astropartículas. Los arrays de APD están empezando a estar

disponibles comercialmente.

La utilidad y aplicabilidad de los APD depende de muchos parámetros. Algunos de los más

importantes son: eficiencia cuántica, que es un indicador de cuánto son absorbidos los fotones

incidentes y usados para generar portadoras de carga primarias, la corriente total de fugas,

que es la suma de la corriente de oscuridad, fotocorriente y ruido de oscuridad. Las

componentes del ruido de oscuridad electrónico están en serie y en paralelo. El ruido en serie,

que es el efecto del ruido de disparo, es proporcional a la capacitancia del APD, mientras que

el ruido en paralelo se asocia con las fluctuaciones de la corriente de superficie. Otra fuente de

ruido es el exceso del factor de ruido (F). Describe el ruido estadísticamente inherente al

proceso de multiplicación estocástico del APD.