PRH 1

PRH

Transmisores enComunicaciones Ópticas

Paloma Rodríguez HorcheDpto. de Tecnología Fotónica

E.T.S.I. TelecomunicaciónUniversidad Politécnica de Madrid

PRH

• Introducción:– Requerimientos– Visón Histórica– Interacción Radiación-Materia– Concepto general del Láser: Resonador F-P– Propiedades de la radiación

• Conceptos básicos de Semiconductor• Unión p-n

– Materiales de semiconductor• Láseres de Semiconductor• LED• Características de Emisión LED-LD• Módulos de Transmisión

Índice

PRH 2

PRH

Transmisores: conversores electro-ópticosTipos:

• Light Emitting Diode (LED)• Laser Diode (LD)

Requerimientos:• Alta potencia en la fibra:

• Compatibles con el acoplamiento de la luz en la fibra (altamente direccional)

• Alta velocidad de modulación• Salida estable• Longitud de onda compatible con la transmisión en

fibra• Espectro de emisión estrecho para minimizar

dispersión en fibra• Debe seguir exactamente a la señal eléctrica

• Conversión E/O: lineal (analógicos), sin ruido• Baja dependencia con la temperatura• Otras características: tamaño, precio, fiabilidad...

Requerimientos

CIRCUITO DEATAQUE Y

POLARIZACIÓN LEDo

LD

F. O.

V

PRH

Visión Histórica: Cuerpo Negro

λmáx

T1

T2

T3

λ

ρ(λ)

dλ

Rayleigh-Jeans

λmáx· T ≈ cte

Planck Ec.e

hc kT

h 1

8)( 3

2

−⋅= ν

νπνλρ

h = 6,626 · 10-34 J.s → cte de Planck

hν → Energía del un FOTÓN

E = n hν n ∈ N

1−=

kTh

e

hννεEnergía media → Estadística de Boltzmann

k = 1,38 ·10-23 J/K→ cte de Boltzmann

PRH 3

PRH

Absorción

Emisión Espontánea

Emisión Estimulada

Interacción Radiación-Materia

E2, N2

E1, N1

PRH

Absorción

Emisión Espontánea

Emisión Estimulada

E2, N2

E1, N1

Coeficientes de Einstein (I)

dtdNNB

dtdN 1

1122 )( −== νρ

Velocidad de los procesos

1er Coef. de Einstein

dtdNNA

dtdN 1

2212 −=−=

2º Coef. de Einstein

dtdNNB

dtdN 1

2212 )( −=−= νρ

3er Coef. de Einstein

PRH 4

PRH

Coeficientes de Einstein (II)

dtdNNBNANB

dtdN 1

2212211122 )()( −=−−= νρνρ

0 equilibrio En 2 =→dt

dN kTh

eBA

BNN ν

νρνρ −

=+

=)(

)(

2121

12

1

2

Ec. Boltzmann

despejando 1

1)(/

21

1221

21

−⋅⋅=

kTheBBB

Aν

νρ y comparando con la Ec. de Planck

B12= B21 3

3

12

21 8cB

A πν=

PRH

Coeficientes de Einstein: Conclusiones En equilibrio → 1

11)( /

21

21 <<−

== kThspont

stim

eAB

RR

ννρ

)()( 1212 νρ⋅−=−= NNBRRR absstimnetastim

120 NNRnetastim >⇒> Inversión de Población

Medio

I0

z

g > 0

g < 0

ganancia

g > 0 ⇒ ganancia Amplificacióng < 0 ⇒ absorción Atenuacióng = 0 Transparencia

I(z) = I0 exp g(ν)·z

I(z) = I0 exp -α·z

Bombeo

)()( 12 NNg −∝ν

PRH 5

PRH

Concepto General de LáserLASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Energía (bombeo):óptico o inyección de corriente

Medio con ganancia(inversión de población)

Realimentación:cavidad resonante (Fabry-Perot)

⇒ OSCILACIÓN LÁSER

BOMBEO

realimentación

I I’ > I Iout

MEDIO ACTIVOg > 0

PRH

Cavidad Resonante Fabry-Perot

R

Z = 0 Z = L

R

Espejos

E2

E0

L

π

α

ω

2m=2kL:

1

:)(),(

)1()1(

)2()(20

)(

2

2

FASE

eeREE

oscilacióndeCondiciónezAtzE

nnR

kLjLg

kztj

in =⇒=

=

+−

=

−−

−

mLneff

m2λ =

Lnmc

effm 2

ν =

nk eff2

λπ

=Póptica

ν

gpérdidas ganancia = pérdidas

bombeo

PRH 6

PRH

Propiedades de la Radiación Láser

• Coherencia:

• Direccionalidad: Divergencia

• Monocromaticidad

Espacial Enfoque Temporal Espectro

Fuente Espejo

PRH

Conceptos básicos de semiconductor

Índice• Bandas de Energía• Diagramas E-k• Gap directo e indirecto• Ocupación de las bandas• Interacción Radiación-Materia• Espectro de ganancia y emisión

espontánea

PRH 7

PRH

Bandas de Energía

• NIVELES ATOMICOS ⇒ BANDAS• MATERIAL:

• Aislante (Eg > 2 eV)• Conductor• Semiconductores (Eg ≈ 0,1 – 3 eV)

GENERACIÓN de un PAR electrón – hueco

Absorción de un fotón:Excitación de un e-

Emisión de un fotón: Caída de e- de la B.C a la

B.V

RECOMBINACIÓNde un PAR e- - h+

PRH

Relación Energía Momento

cc m

kEE2

22h+=

vv m

kEE2

22h−=

mc/mo mv/mo

AsGa 0.07 0.5Si 033 0.5

Diagramas E(k) - k

mc,v → Masa e-, h+

k → Vector de onda

Banda Prohibida → Eg = Ec- Ev

π2h

=h

Banda de Conducción

Banda de Valencia

PRH 8

PRH

Gap Directo e Indirecto

Gap indirecto: Si, GeTransiciones con intervención de un fonón

Gap directo: GaAs (III-V) Transiciones directas

PRH

Ocupación de las Bandas

Probabilidad de Ocupación de los Estados → ocupacióndefunción

TkEE

Ef

B

f

−+

=exp1

1)(

f(E)

Fuera de equilibrio T > 0ºK

Semiconductor Intrínseco

EfEf

Ev

Ec

0 1

Ef

Ev

Ec

T1

T2

T1<T2

0 1

En equilibrio T = 0ºK

1( )2ff E = → Nivel de Fermi

PRH 9

PRH

Semiconductores Extrínseco en Equilibrio

Tipo n:n = ND

(concentración donantes)p << n

Ef ↑

Tipo p:p = NA

(concentración aceptores)p >> n

Ef ↓

DONANTES ⇒ e- en B.C → Tipo nACEPTORES ⇒ h+ en B.V → Tipo p

Ev

Ec

~2kT

Ec

Ev

Distribución de electrones (e-)

ConcentraciónPortadores

Distribución de huecos (h+)

Nivel introducido por dopantes

PRH

Material Fuera de equilibrio (Bombeo = ∆n)

Probabilidad de ocupación distinta en cada banda

−+

=

TkEE

Ef

B

fnn

exp1

1)(

−+

=

TkEE

Ef

B

fpp

exp1

1)(

Cuasi-niveles de Fermi

1 f(E)

Ec

Ev

fn(E2)

fp(E1)

Efn

Efp

PRH 10

PRH

Material Fuera de equilibrio (Bombeo = ∆n)

Intrínseco → n = p = ∆nLos cuasi-niveles de Fermi indican el nivel lleno en cada banda:

Ec < E < Efn

Efp < E < Ev

Probabilidad de ocupación distinta en cada banda

−+

=

TkEE

Ef

B

fnn

exp1

1)(

−+

=

TkEE

Ef

B

fpp

exp1

1)(

Extrínseco-n → n >> p = ∆nEfn → nivel lleno en B. C.

1 f(E)

Extrínseco-p → p >> n = bombeoEfp → nivel lleno en B. V

Cuasi-niveles de Fermi

Ec

Ev

fn(E2)

fp(E1)

Efn

Efp

Efn

Efp

Efn

Efp

Intrínseco Extrínseco-n Extrínseco-p

PRH

Interacción Radiación-materia

Absorción Em. Espontánea Em. Estimulada

Rabs (hν) ∝ ρν (hν) · [1 – fc (E2)] · fv (E1)

Rstim (hν) ∝ ρν (hν) · fc (E2) · [ 1 - fv (E1)]

Rspon (hν) ∝ fc (E2) · [ 1 - fv (E1)]

Rtot (hν) = Rstim (hν) - Rabs (hν) > 0 ⇒ fc (E2) · [ 1 - fv (E1)] - [1 – fc (E2)] · fv (E1) > 0

⇒ Inversión de Poblaciónfc (E2) > fv (E1)

Efn – Efp > E2 – E1 = hν

PRH 11

PRH

Espectros de Ganancia y Emisión Espontánea

Efn – Efp > hν > Eghν > Eg →

g > 0 ⇒ Amplificacióng < 0 ⇒ Atenuación g = 0 ⇒ Transparencia

Medio

I0

z

g > 0

g < 0

ganancia

PRH

Unión p-n

PRH 12

PRH

Unión p-n: Polarización directa

Vj

PRH

Materiales Semiconductores

( )evEge

22.1=λ

Al

Ga

In

P

As

Sb

Semiconductores binarios

Grupos III-V

Semiconductores ternario

Al

GaAs

x

1-x

Semiconductores Cuaternarios

Ga

In

P

Asx

1-x

y

1-y

Materiales base

(substratos)

PRH 13

PRH

Láser de SemiconductorÍndice

• Láser de doble heteroestructura• Condición Umbral• Potencia-Portadores-Corriente: Eficiencias• Estructuras Láser

– Guiado Lateral– Pozo Cuántico– Monofrecuencia– Sintonizables– Emisión Lateral

PRH

Láser de Doble Heteroestructura

Confinamiento de portadores en la zona activa: diseño de “d”

Guía-onda en la dirección vertical: Confinamiento de luz

Eg1 y Eg3 > Eg2

n1 y n3 < n2

contacto

p-material

n-material

Regiónactiva

x

y

zI

W

L (largo de la cavidad)

12

3

Índicerefracción

Modo óptico

∆n

energía

CBVB

bandgap

elec

trons

hol e

s

PRH 14

PRH

Condición Umbral

α 1ln1:RL

gMÓDULO inth

+=

α

ω

1

:)(),(

3.0)1()1(

)2()(20

)(

2

2

eeREE

oscilacióndeCondiciónezAtzE

nnR

kLjLg

kztj

in =⇒=

=

≈+−

=

−−

−

R

REGION ACTIVA

Bombeo:CORRIENTE

Caras Pulidas

Z = 0 Z = L

R

Medio con Ganancia

ESPEJOS

E2

E0

L

FASE 2knL = 2mπGANANCIA OPTICAg = α

α (cm-1) = Absorción

PRH

Modos Longitudinales

Ln

mLn

Lnc

Lnmc

nk

eff

effm

eff

effm

eff

2

2

2

2

2

2λλ

λ

ν

ν

λπ

=∆

=

=∆

=

=cavity losses

carrierdensity

0Wavelength (µm)

longitudinalmodes

lasing mode

Gai

n

PRH 15

PRH

Potencia-portadores-corriente (I)

dn

dt

I

e Vact

- R (n) (m-3 s-1) = Variación de Portadoresτsp → Tiempo de vida de emisión espontánea (radiativo y no-radiativo)C → Coef. que incluye coef. de Einstein

Pérdida de e- en B.C por E. Estimulada

Pérdida de e- en B.C por E. Espontánea

dn

dt

I

e Vact=

nτsp

c n φ

Incremento de e- en B.C

Variación de Densidad de Fotones

Fotones producidos por E. Estimulada Fracción de fotones producido por E. espontánea

Decremento de fotones por pérdidas en la cavidad

τph→ tiempo de vida de un fotón

phsp

ncndtd

τφ

τδφφ

−+=

PRH

Potencia-portadores-corriente (II)

Valor Umbral de portadores

Régimen Estacionario, con ganancia

δ ≈ 0

0≥dtdφ

phth c

nτ1

=c n – (1/τph) ≥ 0 ⇒

I

nth

n

Ith

Régimen Estacionario, sin ganancia:

I = e Vact (1/τsp) n

Ith = e Vact (nth/ τsp)

φ ≈ 0

0=dtdn

PRH 16

PRH

Potencia-Portadores-Corriente (II)

)( 00 SnngII thth

(W/A): EfficiencySlopeslopeη

−+=

nqVItot

thactth τ

=

)( 00 φsnngnqVItot

act τ

−+=

I

n nth

I

P

Ith

ηslope

Régimen Estacionario con φ = φs →

sthsp

th

act

cnnqV

Idtdn φ

τ−−== 0

τphφs = (I – Ith)

q

I < Ith ⇒I = q Vact [n/τsp]φ ≈ 0; Popt ≈ 0

I > Ith ⇒n = nthP = ηslop (I - Ith)

PRH

Relación Ganancia – Umbral de Portadores

gP = g0 (n –n0)α Coeficiente de absorción del semiconductor sin inyección

Oscilación láser →gth = Γ g0 (nth –n0) = αin + (1/L) Ln (1/R)

Γ → factor de confinamiento

gp

nn0

− α

gp

nn0

− α

Pérdidas

nth

PRH 17

PRH

Símil del Deposito

I < Ith

I > Ith

PRH

Eficiencias

ηext = Eficiencia Cuántica Externa diferencial ⇒o eficiencia de la pendienteTípico ηext = 40 -60 %

dIdP

hq

qIdd

inyectadosensalidafotonesdeflujo o

o ⋅==∆

∆− ν

φ)/(

0

ηint = Eficiencia Cuántica Interna diferencial ⇒Típico ηext = 50 -100 %

(%)inyectadoseden

cavidadlaengeneradosfotoneso −∆

∆

ηe = Eficiencia de la Emisión ⇒ resonadordeltotalespérdidasespejoslosporatransmitidútilLuz

ηt = Eficiencia Total ⇒ inyectadosedetotalnsalidafotonesdetotaln

o

o

−

IIth

P

ηext

ηt

ηext = ηint ηe ηext = ηint ηe

ηconv = Eficiencia de Conversión ⇒ VIP

entradadeeléctricaPotenciasalidadeópticaPotencia o=