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