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OPTOELECTRÓNICA:Logros y perspectivas
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¿ Por qué OPTO...?POSIBILIDADES
DE LA LUZ APLICACIONES
• Generación fotovoltaica• Procesado, impresión,…
• Instrumentación y control
• Vídeo y fotografía
• Visión nocturna• Sensores
• Visualizadores
• Almacenamiento óptico• Comunicación óptica
• Investigación
Rapidez ( 3·108 m/s )
Posibilidad de enfoque
Visible para 0.4 - 0.7 µm
Detección a distancia
Variedad de λ
Energía solar
Inmune a perturbaciones
Formación de imágenes
Modificación de materialesInteracción selectiva
••
•
•
••
•
••
•
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hν (eV)3 1.6 0.8
λ (µm)0.4 0.7 1.6
visible comunicación
UV NIR MIR
sensores yprocesado IR
térmico
Longitudes de onda de interés
GaPSiC GaAs Si GeEg (eV)
⇒ Visible y NIR≈ Eg de los semiconductores
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Semiconductoresinteracción con la luz
Recombinación ⇒ emisiónGeneración e- h ⇒ detección
¿ Por qué ...electrónica ?
Prestaciones:• Bajo coste• Rapidez eléctrica• Bajo consumo
• Pequeño tamaño• Fiabilidad
fotón hν >Eg
electrón
hueco +
-
hν
BC
BVI
Eg fotón hν =Eg
hueco +
electrón-BC
BV
Eg
“electrónicas” o específicasAplicaciónes:
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Introducción
• Fotodetectores: receptores, lectores y sensores
Perspectivas y conclusiones
Guión
• Los diodos láser y sus aplicaciones
• Los LED: los emisores más sencillos
• Cámaras digitales
Qué semiconductores utilizamos
Motivación
Qué semiconductores utilizamos
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Absorción banda a banda
semicond. directos semicond. indirectos
Para hν > Eg ⇒ absorcion de la luz⇒ atenuación : φ(x) = φ(0)·exp(-αx)α = coef. de absorción; L = 1/α
muy probable (L ≈1µm) poco probable (L ≈100 µm)
• Lo importante es que λ<1.24/Eg• …Pero en ambos casos ocurre
• Para 1.3 y 1.55 µm: Ge o GaInAs• El silicio vale para λ < 1.1 µm
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Emisión de luz
• directo• Eg ≈ h ν• λ’s intermedia?• evitar R no radiativa
⇒ aleaciones⇒ un semic. para cada λ
⇒ buena calidad
⇒ semic. III-V (difícil para λ «)
¿Qué semiconductor ?Ge 0.7 ISi 1.1 I
InAs 0.4 DInP 1.4 D
GaAs 1.5 DGaP 2.3 I*AlAs 2.4 I
semic. Eg (eV)
III-V
IV
semiconductores directos semiconductores indirectos
Recomb. radiativa probableposible emisión
Recomb. no radiativano emisión
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Diodos emisores de luz (LEDs)Los emisores más sencillos
•Inyección de corriente
•Popt = η· IF
•Recombinacion (b-b o d-b)
Características: ej.: GaAsVF ~ 1.2 V
∆λ ∝ kT ~ 30 nm
Para b-b, λ ~ λg 0.9µm
f ~ 1/τ < 100 MHz
Alta fiabilidad
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LED de visible
↑ visibilidad↑ colores
• Difícil : η grande y λ corta
• Deseable para:
• Respuesta visual:
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material tipo substr. colorGaAs D ☺ ☺ IR
GaInN D+imp& ☺ blanco
LED de visible
GaAsP D ☺
año70 80 90
100
10
1
Lm/W
AlGaInP D ☺ ☺AlGaAs D ☺ ☺GaAsP: N I+ impGaP: N I+ imp ☺GaP: ZnO I+ imp ☺
GaInN D+imp ☺
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Aplicaciones de los LED de visible
Coste deoperación
instalación
3 - 5 años tiempo
LED
incandescente
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LED de infrarrojo (IRED)
• GaAs: 0.95 µm ∼ 1 MHz
• AlxGa1-xAs/GaAs: 0.85 µm ∼ 100 MHz
• GaInAsP/InP: com.ópticas ∼ 100 MHz
GaAsAlGaAs AlGaAs
Ec
Ev
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Introducción
IR cercano: CDs y láseres de potencia
Visible: DVDs y láseres de nitruros
Comunicación por fibra óptica
• Fotodetectores
Perspectivas y conclusiones
• Los diodos láser y sus aplicaciones
WDM: multiplicando la capacidad de la fibra
Micro-óptica y laseres de cavidad vertical
• Los LED: los emisores más sencillos
• Cámaras digitales
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En qué se basa el láser
electrónBC
BV
hνhν
Fotónhν = E2-E1
E2
E1
Emisión estimulada• amplificación de luz
• t < t espontaneo
• coherencia
Inversión de población• absorcion < em. estim.• requiere bombear electrones
electrónBC
BV
hνhν
Fotónhν = E2-E1
E2
E1
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Qué es un láser
Amplificador óptico coherente
con realimentación óptica• cavidad resonante• inyección umbral(inversión umbral)
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Diodos láserFuncionamiento
• Corriente umbral
• Eficiencia
• Potencia
• Rapidez
• “Monocromáticidad”
• Estabilidad
• Fiabilidad
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Diodos láserEstructura
Zona activaQW (tensado)• amplificación
Guia de ondas(n1 > n2)• realimentación• confina e-h
“Cladding”p+ , n+• inyeccion• confinar luz
espejos
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Mapa de los diodos láser
750 - 980 nm baja potencia (AlGaAs)
750 - 980 nm alta potencia (AlGaAs)
630- 670 nm baja potencia (visible)
1.3 y 1.55 µm altas prestaciones (GaInAs)
Láseres de cavidad vertical (AlGaAs)
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Láseres de AlGaAsLectores de CD
780 nm (rojo-IR)
P=5 mW
Control en potencia
IF(normal)= 50-60 mA
IF(defectuoso)= 100 mA
LD+PDmon + óptica+ PDslect
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Laser printer
potencia moderadaLáseres de AlGaAs
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Alta potencia: “arrays” y “stacks”Láseres de AlGaAs
¿ 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
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Bombeo de láseres de estado sólido
Aplicaciones de diodos láser de alta potencia
Aplicaciones industriales
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Diodos láser de visible
Interés: visible, menor λMateriales: GaInP λ ≈ 670 nm
AlGaInP λ ≈ 630 nm Color: rojo V630nm > V670nm
Aplicación: punterosinstrumentacióncódigos de barraslectores ópticos (DVD)
(visible)
(menor λ)
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Diodos láser de visiblelectores de códigos de barras
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Diodos láser de visible: 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) (↓ λ ⇒ x 1.5 )Datos/puntos: x 1.5 650 nm, 5mW
⇒ Datos: x 7
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Láseres violeta: GaNDificultades tecnológicas Resultados: Nakamura (1996, 1999)
λp Ptip Ith VF0.4 µm 5 mW 45 mA 5V
• instrumentación científica• nuevos DVD ?
APLICACIONES
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La fibra óptica• Optica guiada n1>n2 • Dispersión
• Atenuación• “Ventanas para”:
λ = 0.9, 1.3 y 1.55 µm
• Monomodo o multimodo
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Emisores para fibra óptica
•Minimizar atenuacion•Minimizar dispersion•Rapidez•Eficiencia•Fiabilidad•Acoplamiento a fibra
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Emisores para fibra óptica
Inserción en fibra• alineamiento• acoplamiento• estrategias de micro-óptica
Respuesta en frecuencia• > 10 GHz• eliminar RC parásitas• ↑IF⇒↑ f3dB
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Emisores para fibra ópticaLáseres monomodo
Comunicación óptica a larga distanciamodal
espectral⇒ Fibras monomodo⇒ láseres monomodo
en la fibra→ “dispersión”
DFB
DBR
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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 conversiónD ∼75Km
óptico
AAmplificadores
ópticos
EDFA: ganancia en 1.55 µm
Alta gananciaRapidezBajo ruido
BOMBEO
Bombeo con láser980 nm o 1480 nm
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WDM vs TDM
Multiplexación pordivisión en el tiempo
Multiplexación por división en longitudes de onda
• DWDM: canales ITU-T• hasta 40 x 10 GHz
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Sistema WDM completo
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Emisores para WDM denso
•Ajustables por temperatura
•Ajustables eléctricamente
•Ajustados por fibra
• ( Modulación externa )interferométricoelectroabsorción
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2
4
6
8
10
1999 2001 2003
año
Mile
s de
equ
ipos
WDM en 1999
EEUU y Canadá 83%
Europa occidental
13%
Asia y Pacífico
4% Resto del mundo0%
Larga distancia
91%
Corta distancia
7%
Empresas2%
WDM en 2003
EEUU y Canadá 59%
Europa occidental
23%
Asia y Pacífico 13%
Resto del mundo5%
Larga distancia
65%
Corta distancia
30%
Empresas5%
WDM en cifras
Evolución del WDM
WDM
SONET/SDH
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Laseres de cavidad vertical
•Reflectores de BraggGaAs/AlAs
•Monomodo•Haz circular•Matrices 2D•Acoplamiento a fibra•Buses opticos en 1a v.
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array de VCSELsλ = 850 nm 0.8 mW
200 Mbit/s
10 x 2 canales4 Gbit/s
dmax = 300 m
array de PDsBER > 10E-14
(1995)
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array de VCSELsλ = 850 nm 0.8 mW
200 Mbit/s
10 x 2 canales4 Gbit/s
dmax = 300 m
array de PDsBER > 10E-14
(1995)
![Page 39: OPTOELECTRÓNICA: Logros y perspectivassilver.udg.edu/sip/ARXIUS/optoimpr.pdf · 2004-11-17 · Optoacopladores Sensores Proximidad Composiciones Detección remota Interferométricos](https://reader030.fdocuments.ec/reader030/viewer/2022040503/5e3094b0d3dabc082f309b05/html5/thumbnails/39.jpg)
Introducción
• Fotodetectores
Perspectivas y conclusiones
Los diodos láser y sus aplicaciones
Los LED: los emisores más sencillos
• Cámaras digitales
Fotodidodos de Si: IrDA, sensores y otros
Receptores para fibra óptica
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•Receptores: FO, control remoto•Lectores: CD - DVD - código de barras•Sensores: presencia, composición•Monitores: control de láseres•Cámaras: vídeo, visión nocturna
TIPOSfotoeléctricos
térmicos
dispositivos de vacío
semiconductores
fotoconductores
fotodiodos
Fotodetectores
cámaras
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Células fotovoltaicas Fotodiodos
+ -Vph
Φ
←⎯iph
Como batería... Como detector: Φ ⇒ ip
Fotodiodos (PDs)
Optimizar: señal / ruido (↑ip, ↓i0 )rapidezlinealidad
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Fotogeneración en una unión PN
ZCE: G arrastren : G difusión arrastrep : G difusión arrastre
recomb.
x
Popt (1-R)
P(x) = Popt(1-R)e-αx
G(x) = α·P(x)/A
I(V;Φ) = I(V;0) - Iph
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Modo Fotoconductivo Modo Fotovoltaico
Polarización inversa
Características I(V) de los PDs
FotoconductorI
VΦ=0
Φ>0
i = i0(exp(V/nVT)-1) - iph
v=0 ⇒ i = - iph∝ Popt
i = - (i0 + iph)
i=0 ⇒ v ≈ vT·ln(iph/i0)
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Respuesta espectral de los PDs
• S(A/W) ∝ η·λ• directos vs. indirectos
• límite λ cortas
• visible: 0.4-0.7 µm
FO: 1.3, 1.55µm
Nd:YAG: 1.064 µm
IR térmico: 3 - 5 , 8 -14 µm
→ GaInAs
GaAs-IRED:≈0.9µmSi
→ otros: InAs, HgCdTe...
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Fotodiodos de silicio
Ej: PD Epitaxial
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AplicacionesMedición de luz
FotometríaEspectrometríaControl de láseres
Recepción o lectura de datos o señalLectores de CD y DVDBuses ópticosRedes localesControl remoto y comunicación IRLectores de código de barrasOptoacopladores
SensoresProximidadComposicionesDetección remotaInterferométricosEn guía de onda
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Comunicación IR: protocolos IrDA
• 9600-115 Kb/s (IrDA1.0), y hasta 4Mb/s (IrDA1.1)
• Hasta 8 “periféricos”• Bajo coste. Bajo consumo. Bidireccional
LED + PDλ = 850 - 900 nm
trise < 80 nsP = 0.4 -1250 µW/cm2
d ∼2 m . BER = 10-4
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Fotodiodos para comunicación
sólo arrastre ⇒ rapidez
α« fuera de la ZCE
(iluminación por detrás)
no recomb. superficial
OJO: ajuste parámetros de red
GaInAs/InP
Rango: 0.9 - 1.7 µm
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Receptores de GaInAs: optimización de la f3dB
η*= 1- exp(-αW)W < 0.35·v / f3dBA < 0.16·W / (ε·RL·f3dB)tiempo de carga
τ = RLC
tiempo de tránsitoτ = v·W
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Tecnología de hibridación
Convencional
Tecnología flip-chip:• ↓ C y L parásitas• iluminación por detrás
• ↑ area libre
![Page 51: OPTOELECTRÓNICA: Logros y perspectivassilver.udg.edu/sip/ARXIUS/optoimpr.pdf · 2004-11-17 · Optoacopladores Sensores Proximidad Composiciones Detección remota Interferométricos](https://reader030.fdocuments.ec/reader030/viewer/2022040503/5e3094b0d3dabc082f309b05/html5/thumbnails/51.jpg)
Receptor para comunicación por fibra óptica
• PIN de GaInAs/InP• IC Preamplificadorde GaAs + Si-IC
• flip-chip↓ tamaño, ↓ consumo↑ fiabilidad
• Acoplo a fibra• SONET OC-48
(2488.32 MHz)
![Page 52: OPTOELECTRÓNICA: Logros y perspectivassilver.udg.edu/sip/ARXIUS/optoimpr.pdf · 2004-11-17 · Optoacopladores Sensores Proximidad Composiciones Detección remota Interferométricos](https://reader030.fdocuments.ec/reader030/viewer/2022040503/5e3094b0d3dabc082f309b05/html5/thumbnails/52.jpg)
•Multiplicación por avalancha
• Ganancia ≈ exp (- αe W)
αe(campo eléctrico)
Fotodiodos de avalancha
Estructuras SAMReceptores: GaInAs/InP PDsAplicaciones de baja señal
G · (señal) PD
G·M·(ruido)PD
___________________________________
+ (ruido)CIRCSNR=
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Fotodiodos en guía de ondas
Ventaja: disociar τ y η→ posible: η·f3dB >20 GHz
Dificultad : acoplar la luz
• Integración monolítica con guía de onda pasiva (guía de entrada)
• Acoplamiento de campo evanescente a la guía activa
Ejemplo:
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Fotodiodos en guía de ondas
λ =1.55 µm f3dB=45 GHzℜ=0.22 A/W (1998)
Ejemplo:
![Page 55: OPTOELECTRÓNICA: Logros y perspectivassilver.udg.edu/sip/ARXIUS/optoimpr.pdf · 2004-11-17 · Optoacopladores Sensores Proximidad Composiciones Detección remota Interferométricos](https://reader030.fdocuments.ec/reader030/viewer/2022040503/5e3094b0d3dabc082f309b05/html5/thumbnails/55.jpg)
CCD y CMOS
Cámaras para IR térmico
Introducción
• Fotodetectores
Perspectivas y conclusiones
Los diodos láser y sus aplicaciones
Los LED: los emisores más sencillos
• Cámaras digitales
![Page 56: OPTOELECTRÓNICA: Logros y perspectivassilver.udg.edu/sip/ARXIUS/optoimpr.pdf · 2004-11-17 · Optoacopladores Sensores Proximidad Composiciones Detección remota Interferométricos](https://reader030.fdocuments.ec/reader030/viewer/2022040503/5e3094b0d3dabc082f309b05/html5/thumbnails/56.jpg)
Cámaras CMOS con convertidores A/Den cada pixel (Kodad, Canon, HP & Intel, 1998)Tecnología 0.35 umpixels 9um x 9um y 25% “fill factor”
ventajas: menor ruido, menor consumo, simplificación del diseño y fácil escalabilidad
Cámaras CMOS
![Page 57: OPTOELECTRÓNICA: Logros y perspectivassilver.udg.edu/sip/ARXIUS/optoimpr.pdf · 2004-11-17 · Optoacopladores Sensores Proximidad Composiciones Detección remota Interferométricos](https://reader030.fdocuments.ec/reader030/viewer/2022040503/5e3094b0d3dabc082f309b05/html5/thumbnails/57.jpg)
Cámaras para el IR térmico
• 3-6 , 8-12 m• nocturna• Mapas de temperatura• “NET”• refrigeración
![Page 58: OPTOELECTRÓNICA: Logros y perspectivassilver.udg.edu/sip/ARXIUS/optoimpr.pdf · 2004-11-17 · Optoacopladores Sensores Proximidad Composiciones Detección remota Interferométricos](https://reader030.fdocuments.ec/reader030/viewer/2022040503/5e3094b0d3dabc082f309b05/html5/thumbnails/58.jpg)
Cámaras para el IR térmico
Camaras micromecanizadas
• Microbolometros
• Deflexion
Sin refrigerar
![Page 59: OPTOELECTRÓNICA: Logros y perspectivassilver.udg.edu/sip/ARXIUS/optoimpr.pdf · 2004-11-17 · Optoacopladores Sensores Proximidad Composiciones Detección remota Interferométricos](https://reader030.fdocuments.ec/reader030/viewer/2022040503/5e3094b0d3dabc082f309b05/html5/thumbnails/59.jpg)
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...
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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