Transmisores en Comunicaciones Ópticas

Transcripción

1 Transmisores en Comunicaciones Ópticas Paloma Rodríguez Horche Dpto. de Tecnología Fotónica E.T.S.. Telecomunicación Universidad Politécnica de Madrid Índice ntroducción: Requerimientos Visón Histórica nteracción 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

2 Requerimientos Transmisores: conversores electro-ópticos Tipos: 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... V CRCUTO DE ATAQUE Y POLARZACÓN F. O. LED o LD Visión Histórica: Cuerpo Negro λ máx T c te hν Energía del un FOTÓN λ máx E n hν n N ρ(λ)dλ T 3 T T Rayleigh-Jeans 8πν hν ρ( λ) 3 h ν c kt e Ec. Planck hν Energía media ε hν kt e λ h 6, J.s c te de Planck k, J/K c te de Boltzmann Estadística de Boltzmann

3 nteracción Radiación-Materia E, N E, N Absorción Emisión Espontánea Emisión Estimulada Coeficientes de Einstein () E, N E, N Absorción Emisión Espontánea Emisión Estimulada Velocidad de los procesos dn dn B N ρ( ν ) er Coef. de Einstein dn dn A N º Coef. de Einstein dn dn B N ρ( ν ) 3 er Coef. de Einstein

4 Coeficientes de Einstein () dn dn B N A N B N ρ( ν ) ρ( ν ) dn En equilibrio 0 N N Bρ( ν ) e A + B ρ( ν ) hν kt Ec. Boltzmann despejando A ρ( ν ) B B B e A B hν / kt 8 B B 3 3 πν c y comparando con la Ec. de Planck Coeficientes de Einstein: Conclusiones R En equilibrio stim B ρ( ν ) << hν / kt R A e spont R stim neta R ( ) stim Rabs B N N ρ( ν ) R 0 stim neta > N > ganancia 0 N g > 0 g < 0 Medio z nversión de Población Bombeo (z) 0 exp g(ν) z g( ν ) ( N N) (z) 0 exp -α z g > 0 ganancia Amplificación g < 0 absorción Atenuación g 0 Transparencia

5 Concepto General de Láser LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation BOMBEO > out MEDO ACTVO g > 0 realimentación Energía (bombeo): óptico o inyección de corriente Medio con ganancia (inversión de población) Realimentación: cavidad resonante (Fabry-Perot) OSCLACÓN LÁSER Cavidad Resonante Fabry-Perot R Z 0 E E 0 L Espejos R Z L ( n ) R ( n + ) E( z, t) A( z) e j ( ωt kz) Condición de oscilación : E 0 E R e ( g αin ) L ( j kl) e FASE : kl m π k πneff λ P óptica n eff L λ m m mc ν m n L eff pérdidas g ganancia pérdidas bombeo ν

6 Propiedades de la Radiación Láser Monocromaticidad Coherencia: Espacial Enfoque Temporal Espectro Direccionalidad: Divergencia Fuente Espejo Conceptos básicos de semiconductor Índice Bandas de Energía Diagramas E-k Gap directo e indirecto Ocupación de las bandas nteracción Radiación-Materia Espectro de ganancia y emisión espontánea

7 Bandas de Energía NVELES ATOMCOS BANDAS MATERAL: Aislante (E g > ev) Conductor Semiconductores (E g 0, 3 ev) Absorción de un fotón: Excitación de un e - GENERACÓN de un PAR electrón hueco Emisión de un fotón: Caída de e - de la B.C a la B.V RECOMBNACÓN de un PAR e - -h + Relación Energía Momento Diagramas E(k) - k Banda de Conducción E E c + h k m c Banda de Valencia E E v h k m v h h π m c,v Masa e -, h + k Vector de onda m c /m o m v /m o Banda Prohibida E g E c -E v AsGa Si

8 Gap Directo e ndirecto Gap indirecto: Si, Ge Transiciones con intervención de un fonón Gap directo: GaAs (-V) Transiciones directas Ocupación de las Bandas Probabilidad de Ocupación de los Estados f( E f ) Nivel de Fermi f ( E) E E f + exp kbt función de ocupación Semiconductor ntrínseco En equilibrio T 0ºK Fuera de equilibrio T > 0ºK T E f E c E f E v E c E f E v T T <T 0 0 f(e)

9 Semiconductores Extrínseco en Equilibrio Nivel introducido por dopantes DONANTES e - en B.C ACEPTORES h + en B.V Tipo n Tipo p Distribución de electrones (e - ) E c E v ~kt Tipo n: n N D (concentración donantes) p << n E f E c E v Tipo p: p N A (concentración aceptores) p >> n E f Concentración Portadores Distribución de huecos (h + ) Material Fuera de equilibrio (Bombeo n) Probabilidad de ocupación distinta en cada banda Cuasi-niveles de Fermi E fn E c f n (E ) fn ( E) E E + exp kbt fn E fp E v f p (E ) f p ( E) E E + exp kbt fp f(e)

10 Material Fuera de equilibrio (Bombeo n) Probabilidad de ocupación distinta en cada banda E c f n (E ) fn ( E) E E + exp kbt fn ntrínseco n p n Los cuasi-niveles de Fermi indican el nivel lleno en cada banda: E c < E < E fn E fp < E < E v E v f p (E ) f(e) f p ( E) E E + exp kbt fp Cuasi-niveles de Fermi Extrínseco-n n >> p n E fn nivel lleno en B. C. Extrínseco-p p >> n bombeo E fp nivel lleno en B. V E fn E fp E fn E fn E fp E fp ntrínseco Extrínseco-n Extrínseco-p nteracción Radiación-materia R abs (hν) ρ ν (hν) [ f c (E )] f v (E ) R stim (hν) ρ ν (hν) f c (E ) [ - f v (E )] R spon (hν) f c (E ) [ - f v (E )] Absorción Em. Espontánea Em. Estimulada R tot (hν) R stim (hν) - R abs (hν) > 0 f c (E ) [ - f v (E )] - [ f c (E )] f v (E ) > 0 f c (E ) > f v (E ) nversión de Población E fn E fp > E E hν

11 Espectros de Ganancia y Emisión Espontánea hν > E g E fn E fp > hν > E g g > 0 Amplificación g < 0 Atenuación g 0 Transparencia 0 ganancia g > 0 g < 0 Medio z Unión p-n

12 Unión p-n: Polarización directa V j Materiales Semiconductores Semiconductores binarios Grupos -V Al P Ga n As Sb Materiales base (substratos) Semiconductores ternario x -x Al As Ga Semiconductores Cuaternarios x -x P Ga As n y -y λ e. E g ( ev)

13 Láser de Semiconductor Índice Láser de doble heteroestructura Condición Umbral Potencia-Portadores-Corriente: Eficiencias Estructuras Láser Guiado Lateral Pozo Cuántico Monofrecuencia Sintonizables Emisión Lateral Láser de Doble Heteroestructura E g y E g3 > E g Confinamiento de portadores en la zona activa: diseño de d y z Región activa x L (largo de la cavidad) 3 contacto p-material n-material W Modo óptico Índice refracción n holes VB energía bandgap CB electrons n y n 3 < n Guía-onda en la dirección vertical: Confinamiento de luz

14 Condición Umbral R E REGON ACTVA L Caras Pulidas Bombeo: CORRENTE Medio con Ganancia R ( n ) R ( n + ) 0.3 E( z, t) A( z) e j( ωt kz) Condición de oscilación : E 0 E R e ( g αin ) L ( jkl) e E 0 Z 0 ESPEJOS Z L MÓDULO : g th α in + ln L R GANANCA OPTCA g α α (cm - ) Absorción FASE knl mπ Modos Longitudinales Gain 0 cavity losses longitudinal modes carrier density Wavelength (µm) lasing mode πneff k λ mc ν m n L eff c ν n L eff neff L λm m λ λ n L eff

15 Potencia-portadores-corriente () dn e V act - R (n) (m -3 s - ) Variación de Portadores τ sp Tiempo de vida de emisión espontánea (radiativo y no-radiativo) C Coef. que incluye coef. de Einstein dn e V act n τ sp c n φ Pérdida de e - en B.C por E. Estimulada Pérdida de e - en B.C por E. Espontánea ncremento de e - en B.C dφ n cnφ + δ τ Fotones producidos por E. Estimulada ph τ ph tiempo de vida de un fotón sp φ τ Variación de Densidad de Fotones Decremento de fotones por pérdidas en la cavidad Fracción de fotones producido por E. espontánea Potencia-portadores-corriente () Régimen Estacionario, sin ganancia: n n th φ 0 dn 0 e V act (/τ sp ) n th e V act (n th / τ sp ) th Régimen Estacionario, con ganancia dφ 0 δ 0 c n (/τ ph ) 0 n th c τ ph Valor Umbral de portadores

16 Potencia-Portadores-Corriente () Régimen Estacionario con φ φ s dn 0 qv act n τ th sp cn φ th s τ ph φ s ( th ) q qv act n τtot + g n n ) 0 ( 0 φ s n n th < th q V act [n/τ sp ] φ 0; P opt 0 th qv act n th τ tot P > th n n th P η slop ( - th ) th + g0 ( n th n0 ) S η slope η slope : Slope Efficiency (W/A) th Relación Ganancia Umbral de Portadores g g P g 0 (n n 0 ) α Coeficiente de absorción del semiconductor sin inyección p n 0 n α Oscilación láser g th Γ g 0 (n th n 0 ) α in + (/L) Ln (/R) Γ factor de confinamiento g Pérdidas p n 0 n th n α

17 Símil del Deposito < th > th Eficiencias η ext Eficiencia Cuántica Externa diferencial o eficiencia de la pendiente Típico η ext % flujo de fotones salida dφ0 q dpo o n e inyectados d( / q) hν d η int Eficiencia Cuántica nterna diferencial Típico η ext % fotones generados en la cavidad o n de e inyectados (%) η e Eficiencia de la Emisión Luz útil transmitida por los espejos pérdidas totales del resonador P η t Eficiencia Total o n total de fotones salida o n total de e inyectados η t η ext η ext η int η e η ext η int η e th η conv Eficiencia de Conversión Potencia óptica de salida Potencia eléctrica de entrada Po V