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Mapa de los diodos láser
LDs de propósito general (de baja y media Po)
6.1 LDs NIR (750 - 880 nm) de baja y media Po (AlGaAs)
6.2 LDs rojos (AlGaInP)
6.3 LDs violeta y azules (nitruros)
LDs de altas prestaciones para FO (monomodo, GaInAsP)
6.4 LDs emisores para 2ª y 3ª ventana
6.5 LDs para WDM: estabilización de
6.6 LDs de alta potencia (AlGaAs y GaInAsP)
6.7 LDs de cavidad vertical: VCSELs (AlGaAs)
Encapsulado de propósito general
Structure of complete standard 9 mm laser diode device
6.1 LDs de AlGaAs de baja (y media) potencia
buffer
Eg(eV)
z
sustrato
cladding
claddingguía de ondas
guía de ondas
zona activa
para contacto
AlGaAs-n(+)
AlGaAs-p(+)
AlGaAs-p o i
AlGaAs-n o i
(Al)GaAs -i
GaAs -p+
GaAs-n
GaAs-n+
1.42
ESTRUCTURA de CAPASEj.: SC-LD o QW-LD con zona activa de AlGaAs
MOTIVACIÓN: Los más sencillos•GaAs: directo y sustratos comerc. (g=880 nm,NIR)•AlGaAs: a≈aGaAs y Eg>Eg,GaAs
< 880nm (NIR) para Z.A. de AlGaAs. Típ.:785nm CDs =880nm para zona activa de GaAs.( > 880nm para zona activa de GaInAs, tensado)no visible
• Estructura: DH o SC o QW• Conf. lateral: ganancia (más sencillo) o
índice (menor Ith y mejor haz)• Cavidad: Fabry-Perot multimodo• Popt,máx: Normalmente 5 < Popt < 100 mW• V ≈ Eg,cladding/q - 0.3 ó 0.4 V. Típ.: 1.5V• rs 1
APLICACIONES•Lectores y grabadores de CDsPopt velocidad de grabación
•Impresoras láser Popt velocidad de impresión
•Comunicación por FO local : mucha atenuación y dispersión pero fácilmente fc GHz
•Otras (instrumentación, sensores, ratones ópticos, comunicación óptica en espacio abierto, etc.)
RLD78MA
Ver también problemas 6.2 y 6.A1
Ejemplo de LD de AlGaAs de baja Popt
Lectores/grabadores de CDs
785 nm (NIR)
P ≈ 5 mW (para lectura)
Control en potencia (lazo cerrado)
LD + PDmonitor + óptica + PDs,lect
LDs de AlGaAs: ilustración de aplicaciones
Impresoras láser
6.2 LDs rojos (de AlGaInP)
buffer
z
sustrato
cladding
claddingguía de ondas
guía de ondas
zona activa(Al)GaInP-QW
para contacto
AlGaInP-n(+)
AlGaInP-p(+)
AlGaInP-p o i
AlGaInP-n o i
GaAs -p+
GaAs-n
GaAs-n+
ESTRUCTURA de CAPASEj.: QW-LD con emisión en 650 nm
MOTIVACIÓN: visible y corta•GaInP con a≈aGaAs: directo y g ≈ 670 nm (rojo)•AlGaInP con a≈aGaAs: Z.A. con 670 nm > g > 630 nm oηv(630nm) < ηv(670nm) odirecto para 670 nm > g > 580 nm opero barreras muy pequeñas para g < 630 nm:casi tipo II (ver problema 1.13) Ith, To, Popt,máx peores para → 630 nm
• Estructura: QW o MQW (a veces tensado) para disminuir Ith
• Conf. lateral: índice (o ganancia)• Cavidad: Fabry-Perot multimodo• Popt,máx: Normalmente 3 < Popt < 50 mW• Ith, To y Popt,máx peores para → 630 nm• V ≈ Eg,cladding/q - 0.4 V. Típ.: 1.8 V• rs 1
APLICACIONES•Punteros láser Ojo: lo que importa es v , no Popt
•Lectores de codígos de barras•Lectores y grabadores de DVDso rmin de enfoque (limitado por
difracción) mejor 650 que 785 nmo Popt velocidad de grabación
•Otras (instrumentación, sensores, etc.)
1.42 1.9Eg(eV)
Ver problemas 6.4 y 6.A2
Ejemplo de LDs de AlGaInP
HL6501
LDs rojos: ilustración de aplicaciones
Lectores decódigos de barras
Punteros
Sensores
Alineamiento
Lectores/grabadores
de 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) ( x 1.5 )Datos/puntos: x 1.5 650 nm, 5mW
Datos: x 7
LDs rojos: ilustración de aplicaciones
6.3 LDs violeta y azules (AlGaInN)
MOTIVACIÓN: corta (y h grande)•Familia de los nitruros:
GaN directo con g =365 nm (UV) GaInN: Eg <Eg,GaN , pero a>aGaN
Z.A., pero difícil >450 nm AlGa(In)N: Eg>Eg,GaN cladding
• Dificultades: Sustrato: a≠aGaN
Sustrato de zafiro (aislante) o SiCestrategias para minimizar dislocaciones
(ej.: crecimiento selectivo) Difícil: contactos, dopado, etc
• Estructura: QW o MQW tensado(en realidad “puntos cuánticos”)
• Estructura tipo mesa:los dos contactos por la misma cara
• Conf. lateral: índice o ganancia
• Cavidad: Fabry-Perot multimodo
• (típ.) 400 nm (violeta)(365 < < 470 nm; UV-azul)
• Prevalecen múltiple modos
• Popt,máx: 5 < Popt < 100 mWpero v(400nm)/v,máx 10-3 v muy pequeño
• To muy buena y Ith buena (para 400 nm)
• V ≈ Eg,cladding/q - 0.6 V 3.5 V
• rs 10 ; VF 4-5 V
• ½h y ½v pequeñas ( )
APLICACIONES•Lectores y grabadores de discos ópticos (“blue ray”). ≈ 405 nm•Otros: instrumentación científica (h >3 eV)
Ver problemas 6.A4 y 6.A5
Ejemplo de LDs de AlGaInN
DL-5146
La fibra óptica
• Optica guiada n1>n2 • Atenuación• Dispersión: modal y cromática
• “Ventanas para”: = (0.9), 1.3 y 1.55 m
• Monomodo o multimodo
6.4 LDs emisores para 2ª y 3ª ventana (GaInAsP)
Eg(eV)
z
sustrato
claddingy buffer
claddingguía de ondas
guía de ondas
zona activaGaInAs(P)-QW
para contacto
InP-n(+)
InP-p(+)
GaInAsP-p o i
GaInAsP- n o i
GaInAs -p+
InP-n+
1.35
ESTRUCTURA de CAPASGaInAsP/InP QW-LD
MOTIVACIÓN: comunicación por FO a alta velocidad y larga distancia Atenuación: mínima en 1.55m (3ª ventana) (y pequeña en 1.3m, 2ª v.) Dispersión: - modal ·················· fibras monomodo (núcleo muy estrecho, solo 1 modo)
- espectral ················ - necesidad de muy pequeña LD monomodo- dc/d mínima para 1.3 m (2ª v.) (y pequeña en 3ª v.)
LD: (1) en 1.3 o 1.55m, (2) monomodo, (3) acoplable a FO monomodo, (4) fc GHz’s (o con GaInAsP/InP DFB oDBR buen haz (conf. Por índice) modulación externa)
0.8o
0.95
• Estructura: QW o MQW (a veces tensado) para disminuir Ith
• Conf. lateral: por índice• A veces con estrategias de micro-óptica
(para mejor acoplamiento a FO monom.)• Cavidad: DFB (o DBR) monomodo• = muy pequeño en cw
(pero armónicos al modular)• Popt,máx: Normalmente 3 < Popt < 100 mW• V ≈ Eg,InP/q - 0.3 o 0.4 V 1 V• fc 1 – 10 GHz
minimizar RC (RL, rs , Cparas, el área…) IF fc otra posibilidad: modulación externa
en la FO
Emisores para fibra ópticaAspectos sobre la cavidad óptica
DFB
DBR
Inserción en fibra
• alineamiento
• acoplamiento
• estrategias de micro-óptica
Cavidades monomodo(DFB, DBR u otras)
butterfly
14 pin DILcoaxial
LD encapsulados y transmisores
para FO
6.5 LDs para WDM: estabilización de
MOTIVACIÓN: WDM•WDM =multiplexación en . (DWDM = WDM denso)N canales físicos c en la FO, con c=1-N. (4≤N≤40). 3ª ventana Espaciado: c+1-c = 100 GHz (o 50 GHz) c-c+1 ≈ 0.8nm (o 0.4 nm)
•Ventajas: • Aumenta la capacidad de la FO existente• Un solo amplificador óptico para varios canales
•Requisitos(además de los de 6.4): m muy establem ajustable a c
Causas de variación de Soluciones
Aparición de armónicos
Ninguna determina el mínimo espaciado de para una f dada
Variación de Tcontrolar T (o mejor ) en lazo
cerrado
Envejecimiento controlar en lazo cerrado
Variación del nef de la cavidad con n(t) “chirp”
LD en cw + modulador(LD con BR externo)Tb. facilitan la estabilización de T
• = (2/co) ·
• Aparición de armónicos: Ej: 10 Gb/s
f1=5 GHz 1os armónicos en f1 1=10 GHz , y 5=50 GHz (5º arm.)
• Variación de con T: = (dm/dT) ·T ≈
0.09nm/ºC Necesidad de estabilizar T Válido para centrar en c
A veces válido para cambiar de canal.(Cuidado: Ith(T) con forma de U).
Estabilización de : soluciones• Ajustar/estabilizar T en lazo cerrado:
medir T con un termistor: R(T) cambiar T con un TEC: T(ITEC)
• Ajustar/estabilizar en lazo cerrado: medir con el PDmonitor (PPD) y un PD
con un filtro (WPD): IWPD/IPPD=Tfiltro() cambiar con el TEC: m(T) y T(ITEC)
(o cambiando eléctricamenteel nef de los reflectores del DBR)
• Moduladores electro-ópticos de electroabsorción (EAM), monolítico
- basados en QW: Egef() α(VR)
Interferométricos, externos (evitar retorno de Popt al LD)
LD con control de T en lazo cerrado para ajuste en c(Prob. 6.6)
LD en cw con control de en lazo cerrado mediante cambio de T con ajuate a 4 canales (Prob. 6.A10)
LD con EAM (Prob. 6.A7)
6.6 LDs de alta potencia
Bombeo de amplificadores ópticos para FO (EDFAs)
Bombeo de láseres de estado sólido .
Aplicaciones sin requerimiento de
Aplicaciones con requerimiento de
Ej.: soldadura
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 conversión
D 75Km
óptico
AAmplificadores
ópticos
EDFA: ganancia en 1.55 m
Alta gananciaRapidezBajo ruido
BOMBEO
Bombeo con láser
980 nm o 1480 nm
SSLs. Ej.: Nd-YAG•Aislante bombeo óptico•Niveles (no bandas) pequeña•Para Nd-YAG : λpump = 808 nm , λláser=1064 nm
•Mejor calidad del haz que los LDs
Bombeo de láseres de estado sólido (SSL)
Punteros verdes: 532 nm, 5-150 mWbatería + circuito con control en Popt LD de potencia (808 nm)láser de Nd-YAG (1064 nm)doblador de frecuencia óptica de acondicionamiento
“arrays” y “stacks”Láseres de muy alta potencia
¿ 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
LDbars
water tubes
6.6 LDs de alta potencia
Requerimientos•Alta Popt área grande
•Alta P baja Jth , alta d , baja rs
•Fiabilidad para IF y Popt grandestecnología robustaevitar autocalentamiento
Aplicación Requerimientos específicos
Bombeo de EDFAs
• pump = 980 nm o 1480 nm • Acoplable a FO
monomodo• Estable en
conf. por índice DBR o con BR en la fibraTEC
Bombeo de láseres de estado sólido.(ej. Nd-YAG, = 1064 nm)
• pump = 808 nm(para Nd-YAG)
a veces “arrays” o “stacks”a veces modos transversales superioresFP y múltiples modos long.: grandeconf. por gananciaBaja Rth,JA . A veces, refrigeración
Aplicaciones de “potencia bruta”
• Materiales: 808 nm: AlGaAs, con ZA de AlGaAs (o AlGaInAs) 980 nm: AlGaAs, con ZA de GaInAs 1480 nm: GaInAsP• Estructura de capas: QW o MQW, con frecuencia tensado Esquemas semejantes a los de 6.1 y 6.3
6.7 Láseres de cavidad vertical con emisión por superficie (VCSELs)
• Reflectores de Bragg GaAs/AlAs• Monomodo• Haz circular• Matrices 2D• Acoplamiento a fibra• Po mW; Ith mA
• Buses opticos en 1a v.
array de VCSELs = 850 nm 0.8 mW
200 Mbit/s
10 x 2 canales4 Gbit/s
dmax = 300 m
array de PDsBER > 10E-14
(1995)
Laseres de cavidad vertical: Ejemplos
array de VCSELs = 850 nm 0.8 mW
200 Mbit/s
10 x 2 canales4 Gbit/s
dmax = 300 m
array de PDsBER > 10E-14
(1995)
Laseres de cavidad vertical: Ejemplos
Transceptor para 10Gb Ethernet en 850 nmVCSEL (emisor) + fotodiodo PIN (receptor)
Laseres de cavidad verticalEjemplos
850-nm, 10-Gbit/s, directly modulated, VCSELTypical: 820 µW ,fc= 7.5 GHz, tr=55 ps
low-cost, very short reach (<300m)high-speed interconnects
Laseres de cavidad verticalEjemplos