OPTOELECTRÓNICA: Logros y perspectivas

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1 OPTOELECTRÓNICA: Logros y perspectivas

2 Por qué OPTO...? POSIBILIDADES DE LA LUZ Rapidez ( m/s ) Inmune a perturbaciones Detección a distancia Posibilidad de enfoque Formación de imágenes Visible para µm Variedad de λ Interacción selectiva Modificación de materiales Energía solar APLICACIONES Comunicación óptica Almacenamiento óptico Vídeo y fotografía Visualizadores Instrumentación y control Investigación Visión nocturna Sensores Procesado, impresión, Generación fotovoltaica

3 Longitudes de onda de interés sensores y procesado visible comunicación IR térmico λ (µm) UV NIR MIR hν (ev) SiC GaP GaAs Si Ge E g (ev) Visible y NIR Eg de los semiconductores

4 Generación e- h detección Semiconductores interacción con la luz Recombinación emisión BC fotón hν >Eg BV - hueco + electrón hν Eg BC BV Eg - hueco + electrón fotón hν =Eg I Prestaciones: Aplicaciónes: Por qué...electrónica? Bajo coste Pequeño tamaño Rapidez eléctrica Fiabilidad Bajo consumo electrónicas o específicas

5 Guión Introducción Motivación Qué semiconductores utilizamos Los LED: los emisores más sencillos Los diodos láser y sus aplicaciones Fotodetectores: receptores, lectores y sensores Cámaras digitales Perspectivas y conclusiones

6 Absorción banda a banda Para hν > Eg absorcion de la luz atenuación : φ(x) = φ(0) exp(-αx) α = coef. de absorción; L = 1/α semicond. directos semicond. indirectos muy probable (L 1µm) poco probable (L 100 µm) Pero en ambos casos ocurre Lo importante es que λ<1.24/eg El silicio vale para λ < 1.1 µm Para 1.3 y 1.55 µm: Ge o GaInAs

7 semiconductores directos Emisión de luz semiconductores indirectos Recomb. radiativa probable posible emisión Recomb. no radiativa no emisión IV III-V semic. Eg (ev) Ge 0.7 I Si 1.1 I InAs 0.4 D InP 1.4 D GaAs 1.5 D GaP 2.3 I* AlAs 2.4 I Qué semiconductor? directo Eg h ν λ s intermedia? evitar R no radiativa semic. III-V (difícil para λ «) un semic. para cada λ aleaciones buena calidad

8 Diodos emisores de luz (LEDs) Los emisores más sencillos Inyección de corriente Recombinacion (b-b o d-b) Popt = η IF Características: VF λ kt Para b-b, λ ~ λg f ~ 1/τ Alta fiabilidad ej.: GaAs ~ 1.2 V ~ 30 nm 0.9µm < 100 MHz

9 LED de visible Difícil : η grande y λ corta Deseable para: visibilidad colores Respuesta visual:

10 LED de visible material tipo substr. color GaAs D IR GaAsP D GaP: ZnO I+ imp GaP: N I+ imp GaAsP: N I+ imp AlGaAs D AlGaInP D GaInN D+imp GaInN D+imp& blanco Lm/W año

11 Aplicaciones de los LED de visible Coste de operación incandescente instalación LED 3-5 años tiempo

12 LED de infrarrojo (IRED) GaAs: 0.95 µm 1 MHz Al x Ga 1-x As/GaAs: 0.85 µm 100 MHz GaInAsP/InP: com.ópticas 100 MHz Ec Ev AlGaAs GaAs AlGaAs

13 Introducción Los LED: los emisores más sencillos Los diodos láser y sus aplicaciones IR cercano: CDs y láseres de potencia Visible: DVDs y láseres de nitruros Comunicación por fibra óptica WDM: multiplicando la capacidad de la fibra Micro-óptica y laseres de cavidad vertical Fotodetectores Cámaras digitales Perspectivas y conclusiones

14 En qué se basa el láser Emisión estimulada amplificación de luz coherencia t < t espontaneo E 2 Fotón hν = E 2 -E 1 E 1 BC electrón hν hν BV Inversión de población absorcion < em. estim. requiere bombear electrones E 2 Fotón hν = E 2 -E 1 E 1 BC electrón hν hν BV

15 Qué es un láser Amplificador óptico coherente con realimentación óptica cavidad resonante inyección umbral (inversión umbral)

16 Corriente umbral Eficiencia Potencia Rapidez Monocromáticidad Estabilidad Fiabilidad Diodos láser Funcionamiento

17 Cladding p+, n+ inyeccion confinar luz Diodos láser Estructura Guia de ondas (n 1 > n 2 ) realimentación confina e-h Zona activa QW (tensado) amplificación espejos

18 Mapa de los diodos láser nm baja potencia (AlGaAs) nm alta potencia (AlGaAs) nm baja potencia (visible) 1.3 y 1.55 µm altas prestaciones (GaInAs) Láseres de cavidad vertical (AlGaAs)

19 780 nm (rojo-ir) P=5 mw Control en potencia I F (normal)= ma I F (defectuoso)= 100 ma LD+PD mon + óptica+ PDs lect Láseres de AlGaAs Lectores de CD

20 Láseres de AlGaAs potencia moderada Laser printer

21 Láseres de AlGaAs Alta potencia: arrays y stacks Cuánta P opt pueden dar? < 1 W cw a fibra 1mod < 10 W cw por tira < 100 W cw por array < 1000 W qcw por stack Qué hay que optimizar? Estructura (QW tensados, r s «,.. ) Fiabilidad (recubrir los espejos) Disipación térmica LASER-DIODE ARRAY

22 Aplicaciones de diodos láser de alta potencia Bombeo de láseres de estado sólido Aplicaciones industriales

23 Diodos láser de visible Interés: Materiales: Color: visible, menor λ GaInP λ 670 nm AlGaInP λ 630 nm rojo V630nm > V670nm Aplicación: punteros instrumentación códigos de barras lectores ópticos (DVD) (visible) (menor λ)

24 Diodos láser de visible lectores de códigos de barras

25 Diodos láser de visible: DVD Dic. 94 Sony y Philips anuncian el MM-DC En. 95 Toshiba y otros anuncianel SuperDensity Dic.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 (2.1 2 ) ( λ x 1.5 ) Datos/puntos: x 1.5 Datos: x nm, 5mW

26 Láseres violeta: GaN Dificultades tecnológicas Resultados: Nakamura (1996, 1999) λ p P tip I th V F 0.4 µm 5 mw 45 ma 5V APLICACIONES instrumentación científica nuevos DVD?

27 La fibra óptica Optica guiada n 1 >n 2 Dispersión Atenuación Ventanas para : λ = 0.9, 1.3 y 1.55 µm Monomodo o multimodo

28 Emisores para fibra óptica Minimizar atenuacion Minimizar dispersion Rapidez Eficiencia Fiabilidad Acoplamiento a fibra

29 Emisores para fibra óptica Respuesta en frecuencia > 10 GHz eliminar RC parásitas I F f 3dB Inserción en fibra alineamiento acoplamiento estrategias de micro-óptica

30 Emisores para fibra óptica Láseres monomodo Comunicación óptica a larga distancia dispersión modal en la fibra espectral Fibras monomodo láseres monomodo DFB DBR

31 Amplificadores opticos Fibra óptica dopada con erbio (EDF) Comunicación óptica a larga distancia atenuación necesidad de amplificadores Repetidores eléctricos óptico O/E A eléctrico E/O óptico Retardos Ruido de conversión D 75Km Amplificadores ópticos EDFA: ganancia en 1.55 µm óptico A BOMBEO Alta ganancia Rapidez Bajo ruido Bombeo con láser 980 nm o 1480 nm

32 WDM vs TDM Multiplexación por división en el tiempo Multiplexación por división en longitudes de onda DWDM: canales ITU-T hasta 40 x 10 GHz

33 Sistema WDM completo

34 Ajustables por temperatura Ajustables eléctricamente Ajustados por fibra ( Modulación externa ) interferométrico electroabsorción Emisores para WDM denso

35 WDM en 1999 Asia y Pacífico 4% Resto del Europa occidental 13% Empresas 2% Corta distancia 7% mundo 0% EEUU y Canadá 83% Larga distancia 91% Miles de equipos 10 WDM en cifras Evolución del WDM SONET/SDH WDM año WDM en 2003 Resto del mundo 5% Asia y Pacífico 13% Europa occidental 23% Corta distancia 30% Empresas 5% EEUU y Canadá 59% Larga distancia 65%

36 Laseres de cavidad vertical Reflectores de Bragg GaAs/AlAs Monomodo Haz circular Matrices 2D Acoplamiento a fibra Buses opticos en 1 a v.

37 (1995) array de VCSELs λ = 850 nm 0.8 mw 200 Mbit/s 10 x 2 canales 4 Gbit/s d max = 300 m array de PDs BER > 10E-14

38 (1995) array de VCSELs λ = 850 nm 0.8 mw 200 Mbit/s 10 x 2 canales 4 Gbit/s d max = 300 m array de PDs BER > 10E-14

39 Introducción Los LED: los emisores más sencillos Los diodos láser y sus aplicaciones Fotodetectores Fotodidodos de Si: IrDA, sensores y otros Receptores para fibra óptica Cámaras digitales Perspectivas y conclusiones

40 Fotodetectores Receptores: FO, control remoto Lectores: CD - DVD - código de barras Sensores: presencia, composición Monitores: control de láseres Cámaras: vídeo, visión nocturna dispositivos de vacío fotoeléctricos fotoconductores TIPOS térmicos semiconductores fotodiodos cámaras

41 Fotodiodos (PDs) + V ph - Φ iph Como batería... Células fotovoltaicas Como detector: Φ i p Fotodiodos Optimizar: señal / ruido ( ip, i0 ) rapidez linealidad

42 Fotogeneración en una unión PN P opt (1-R) P(x) = P opt (1-R)e -αx G(x) = α P(x)/A x Z CE : G n : G p : G arrastre difusión arrastre difusión arrastre recomb. I(V;Φ) = I(V;0) - I ph

43 Características I(V) de los PDs i = i 0 (exp(v/nv T )-1) - i ph Modo Fotoconductivo Modo Fotovoltaico v=0 i = - i ph P opt Polarización inversa i=0 v v T ln(i ph /i 0 ) Fotoconductor I Φ=0 V i = - (i 0 + i ph ) Φ>0

44 Respuesta espectral de los PDs S(A/W) η λ directos vs. indirectos límite λ cortas visible: µm GaAs-IRED: 0.9µm Nd:YAG: µm Si FO: 1.3, 1.55µm GaInAs IR térmico: 3-5, 8-14 µm otros: InAs, HgCdTe...

45 Ej: PD Epitaxial Fotodiodos de silicio

46 Aplicaciones Medición de luz Fotometría Espectrometría Control de láseres Recepción o lectura de datos o señal Lectores de CD y DVD Buses ópticos Redes locales Control remoto y comunicación IR Lectores de código de barras Optoacopladores Sensores Proximidad Composiciones Detección remota Interferométricos En guía de onda

47 Comunicación IR: protocolos IrDA LED + PD λ = nm t rise < 80 ns P = µw/cm 2 d 2 m. BER = Kb/s (IrDA1.0), y hasta 4Mb/s (IrDA1.1) Hasta 8 periféricos Bajo coste. Bajo consumo. Bidireccional

48 Fotodiodos para comunicación GaInAs/InP Rango: µm α«fuera de la ZCE sólo arrastre rapidez no recomb. superficial (iluminación por detrás) OJO: ajuste parámetros de red

49 Receptores de GaInAs: optimización de la f 3dB tiempo de tránsito τ = v W tiempo de carga τ = R L C η*= 1- exp(-αw) W < 0.35 v / f 3dB A < 0.16 W / (ε R L f 3dB )

50 Tecnología de hibridación Convencional Tecnología flip-chip: C y L parásitas iluminación por detrás area libre

51 Receptor para comunicación por fibra óptica PIN de GaInAs/InP IC Preamplificador de GaAs + Si-IC flip-chip tamaño, consumo fiabilidad Acoplo a fibra SONET OC-48 ( MHz)

52 Fotodiodos de avalancha Multiplicación por avalancha Ganancia exp (- α e W) α e (campo eléctrico) SNR= G (señal) PD G M (ruido) PD + (ruido) CIRC Estructuras SAM Receptores: GaInAs/InP PDs Aplicaciones de baja señal

53 Fotodiodos en guía de ondas Ventaja: disociar τ y η posible: η f 3dB >20 GHz Dificultad : acoplar la luz Ejemplo: Integración monolítica con guía de onda pasiva (guía de entrada) Acoplamiento de campo evanescente a la guía activa

54 Fotodiodos en guía de ondas Ejemplo: λ =1.55 µm f 3dB =45 GHz R=0.22 A/W (1998)

55 Introducción Los LED: los emisores más sencillos Los diodos láser y sus aplicaciones Fotodetectores Cámaras digitales CCD y CMOS Cámaras para IR térmico Perspectivas y conclusiones

56 Cámaras CMOS Cámaras CMOS con convertidores A/D en cada pixel (Kodad, Canon, HP & Intel, 1998) Tecnología 0.35 um pixels 9um x 9um y 25% fill factor ventajas: menor ruido, menor consumo, simplificación del diseño y fácil escalabilidad

57 Cámaras para el IR térmico 3-6, 8-12 m nocturna Mapas de temperatura NET refrigeración

58 Cámaras para el IR térmico Camaras micromecanizadas Microbolometros Deflexion Sin refrigerar

59 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...

60 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