1

ELEMENTY OPTOELEKTRONICZNE

UKŁADYNADAWCZO-ODBIORCZE

Plan wykładu:

1. Oddziaływanie fotonów z materią2. Fotodioda3. Dioda świecąca4. Lasery półprzewodnikowe5. Układy odbiorcze6. Układy nadawcze

DOSTĘP DO BIBLIOTEKI

Oddziaływanie fotonów z materią

absorpcja

pasmo przewodnictwa

pasmo walencyjne

prze

rwa

ener

gety

czna

emisja spontaniczna

emisja wymuszona

FOTODIODY

2

Fotodioda p-n

abso

rbow

ana

moc

opt

yczn

a

odległość

Ec

Ev

+

unoszenie

+

dyfuzja

+

-dyfuzja

-

-

‘p’ ‘n’

światło + ++ ++ ++ +

++++

- -- -- -- -

----

‘p’ ‘i’ ‘n’

światło

natęże

nie

pola

odległość

InP

InGaAs

Au/AuSn

‘p’

‘i’

‘n’

‘n+’ – InP (podłoże)

4 µµµµmInP

Fotodioda p-i-n

Fotodioda lawinowa (APD)

p i„+”

p n„-”

ie(0)

p

ie(W)

ih(W)=0

ih(0)

prądy w stanie ustalonym

I

Si

Ge

InGaAs

InGaAsP

1000 1500500długość fali [nm]

czuł

ość

[A/W

]

0

0.5

1.0

Czułość i charakterystyka spektralna

chq

PIR F 0λη

λ==

3

~5 µµµµA

I

U

Pλλλλ1

Pλλλλ2

Pλλλλ3

prąd ciemny diody Pλλλλ = 0 I = 0

U = 0

odbiornik

odbiornik źródło

~5 nA

Charakterystyka statyczna fotodiodyPrzykładowe parametry fotodiod p-i-n

Parametr Si Ge InGaAsdługość fali µµµµm 0.4÷÷÷÷1.1 0.8÷÷÷÷1.8 1.0÷÷÷÷1.7

czułość A/W 0.4÷÷÷÷0.6 0.5÷÷÷÷0.7 0.6÷÷÷÷0.9sprawnośćkwantowa % 75÷÷÷÷90 50÷÷÷÷55 60÷÷÷÷70

prąd ciemny nA 1÷÷÷÷10 50÷÷÷÷500 1÷÷÷÷20czas

narastania ns 0.5÷÷÷÷1 0.1÷÷÷÷0.5 0.05÷÷÷÷0.5pasmo GHz 0.3÷÷÷÷0.6 0.5÷÷÷÷3 1÷÷÷÷5

napięcie V 50÷÷÷÷100 6÷÷÷÷10 5÷÷÷÷6

Przykładowe parametry fotodiod APD

Parametr Si Ge InGaAsdługość fali µµµµm 0.4÷÷÷÷1.1 0.8÷÷÷÷1.8 1.0÷÷÷÷1.7

czułość A/W 80÷÷÷÷130 3÷÷÷÷30 5÷÷÷÷20wzmocnienie – 100÷÷÷÷500 50÷÷÷÷200 10÷÷÷÷40

wsp. k – 0.02÷÷÷÷0.05 0.7÷÷÷÷1 0.5÷÷÷÷0.7prąd ciemny nA 1÷÷÷÷10 50÷÷÷÷500 1÷÷÷÷20

czasnarastania ns 0.5÷÷÷÷1 0.5÷÷÷÷0.8 0.1÷÷÷÷0.5

pasmo GHz 0.2÷÷÷÷1 0.4÷÷÷÷0.7 1÷÷÷÷3napięcie V 200÷÷÷÷250 20÷÷÷÷40 20÷÷÷÷60

Fotodiody - podsumowanie

półzłącze „pigtail”

DIODY ŚWIECĄCE(LED)

4

długość fali [µµµµm]

przerwa energetyczna [eV]

stał

a si

eci [

Å]

materiały owartościowościach III - V

przerwa energetyczna:prostaskośna

mieszaninyternarne

Ga1-xInxSbInAs1-xPx

mieszaninyquaternarne

In1-xGaxAsyP1-y

InAsyP1-y

In1-xGaxAs

Elementy świecące - materiały

‘n’ - AlGaAs ‘p’ - GaAs ‘p’ - AlGaAs ‘p+’ - GaAs

‘n’- GaAs

światło

świa

tłow

ód

metal

żywica epoksydowa

wytrawiona „studnia”

~50

µµ µµm

SiO2

światło ‘p+’ - GaAs

‘p’ - GaAlAs

‘n’ - GaAlAs

‘n+’ – GaAspodłoże

SiO2 metal

obszar świecący

Dioda świecąca (LED)

struktura krawędziowa

struktura powierzchniowa

(Burrus’a)

Moc sprzęgnięta do włókna:

•gradientowe - 20 µµµµW

•jednomodowe - 1-2 µµµµW

Moc sprzęgnięta do włókna:

•gradientowe - 50 µµµµW

•jednomodowe - 30 µµµµW

moc

spr

zęgn

ięta

do

włó

kna

[%]

prąd [mA]

ZARLINK

MF431

1310 nm

ZARLINK

MF194

850 nm

Cha

rakt

erys

tyka

sta

tycz

na

długość fali [nm]

moc

opt

yczn

a (je

dn. w

zglę

dne)

Charakterystyka U(I)

Charakterystyka spektralna

napięcie [V]

prąd

[mA

]

5

Moc sprzęgnięta do włókna

przesunięcie osiowe z [µµµµm]

moc

spr

zęgn

ięta

do

włó

kna

[%]

przesunięcie promieniowe r [µµµµm]

moc

spr

zęgn

ięta

do

włó

kna

[%]

LASERY PÓŁPRZEWODNIKOWE

Poglądowy model laseraprąd

obsza r aktywny

L

r2r1

z=0 z =L

płaszczyznykrysta liczne

oś rodek wzmacnia jącylus tra

���re zona tor Fabry-Pero t'a

prąd

obsza r aktywny

L

r2r1

z=0 z =L

płaszczyznykrysta liczne

oś rodek wzmacnia jącylus tra

���re zona tor Fabry-Pero t'a

6

Właściwości podstawowych „składników” lasera:

ośrodek aktywny

rezonator

emisja wymuszona

emisja spontaniczna

Wzmocnienie w obszarze aktywnym lasera

Rezonator Fabry-Perot (longitudinal confinement)

iEt( )jkLtEi −exp

( )kLjtrEi 3exp −

( )kLjEtr i 5exp2 −

( )kLjEtr i 7exp3 −

( )kLjEtr i 9exp3 −

( )kLjrEt i 2exp −

( )kLjErt i 4exp2 −

( )kLjErt i 6exp3 −

( )kLjErt i 8exp3 −

iE iEt( )jkLtEi −exp

( )kLjtrEi 3exp −

( )kLjEtr i 5exp2 −

( )kLjEtr i 7exp3 −

( )kLjEtr i 9exp3 −

( )kLjrEt i 2exp −

( )kLjErt i 4exp2 −

( )kLjErt i 6exp3 −

( )kLjErt i 8exp3 −

iE

t, r - zdefiniowane dla MOCY 1540 1542 1544 1546 1548 1550 1552 1554 1556 1558 156010

-3

10-2

10-1

100

długość fali [nm]

r = 0.9

r = 0.3

wsp

. tra

nsm

isji

[jedn

. wzg

l]

L = 300 λλλλ0

Charakterystyka rezonatora Fabry-Perot

7

1540 1542 1544 1546 1548 1550 1552 1554 1556 1558 156010

-3

10-2

10-1

100

długość fali [nm]

r = 0.9

r = 0.3

wsp

. tra

nsm

isji

[jedn

. wzg

l]

L = 100 λλλλ0

Charakterystyka rezonatora Fabry-Perot

λ

po ziom stra t we wnęce rezonan sowe j

profilwzmocnienia

modoscylujący

mo dy wzd łużne

Warunki akcji laserowej

długość fali [nm]

moc

opt

yczn

a [je

dn. w

zglę

dne]

długość fali [nm]

moc

opt

yczn

a [je

dn. w

zglę

dne]

Charakterystyka spektralna (FP) Obszar aktywny lasera

lateralboczny

izolacja złączowa

longitudinal

wzdłużn

y

F-P

transversalpoprzeczny

heterozłącze

prądświatło

światło

8

Heterozłącza(transversal confinement)

elektrony mają „pod górkę”

dziury mają „pod górkę”

ener

gia

elek

tron

ówen

ergi

a dz

iur

heterozłącze p-N(anizotypowe)

Eg1

Eg3

‘p’ ‘N’

Efc

obszar zubożony

warstwa akumulacyjna

heterozłącze p-P(izotypowe)

Efv

Eg1

‘p’‘P’

Eg2

Laser biheterozłączowy (transversal confinement)

‘n’ ‘p’obsza r

a ktywny

~0,2 mµ

prze

rwa

ener

gety

czna

ener

gia

wsp

.zała

man

iagę

stość

moc

y

profilmodu

elektrony

dziury

pa smoprzewodnictwa

pas mowa lencyjne

kierunek przepływu

prądu

Laser biheterozłączowy (lateral confinement)

‘n+’ – InP, podłoże

„grzbiet”‘p’ - InP

‘n’ - InP

‘n+’ – InP, podłoże

SiO2 SiO2

kontakt metalowy kontakt metalowy

‘p’ - InGaAsP‘p’ - InGaAsP

„mesa”‘p’ - InP

‘n’ - InP

‘p’ - InP ‘p’ - InP

‘n’ - InP

‘n’ - InP

lasery „index guided”

obszar świecący ~0.1×1µmmało zależny od prądu strującego laser

„ridge waveguide”∆∆∆∆n ~0.01

weak guiding

„burried heterostructure”∆∆∆∆n ~0.1

strong guiding

prąd w kierunku przewodzenia [mA]

moc

opt

yczn

a [m

W]

prąd

mon

itora

[mA

]

napięc

ie p

rzew

odze

nia

[V]

Charakterystyka statyczna I

9

prąd [mA]

moc

opt

yczn

a [m

W]

Charakterystyka statyczna II

Diagram energetyczny

Laser MQW (Multi Quantum Well)

0 5 10 15 20

0

-6

-12

6

12

częstotliwość modulacji [GHz]

moc

opt

yczn

a (s

kł. z

mie

nna)

[dB

]

IB/Ith = 1.5IB/Ith = 3

IB/Ith = 4.5

IB/Ith = 6

IB/Ith = 7.5

częstotliwość modulacji [GHz]

moc

opt

yczn

a (s

kł. z

mie

nna)

[dB

m]

Podstawowe charakterystyki laserówcharakterystyka modulacyjna

Przykładowe dane katalogoweLucent D370

10

Struktury złożone

DFB

DBR

VCSEL

RCLED

n1

n1

n1

n1

n2

n2

n2

n2

Λ

L2

L1

r

-rr

-rr

-rr

rg

rg

struktura wertykalna

struktura planarna

n1 n2

Lustra złożone - siatka Bragg’a

Charakterystyki częstotliwościowe

0.8 0.9 1 1.1 1.2

-30

-20

-10

0

0.8 0.9 1 1.1 1.2

-150

-100

-50

0

50

100

150

0.99 0.995 1 1.005 1.01

-30

-20

-10

0

0.99 0.995 1 1.005 1.01

-150

-100

-50

0

50

100

150

współczynnik odbicia

faza

amp l

ituda

[dB

]

faza

amp l

ituda

[dB

]

∆n = 0.57m = 20

∆n = 4*10-4

m = 2000struktura DBR

Distributed Bragg Reflectorstruktura DFB

Distributed FeedBack

ΛΛΛΛsiatki

dyfrakcyjne warstwaaktywna

warstwaaktywna

siatkadyfrakcyjna

Lasery z siatką Bragg’a

11

Lasery DFB

oscyluje na długości fali Bragg’a

nie oscyluje na długości fali Bragg’a

rg2

rg2

λ/4

λ/2

rg1

rg1

Laser DFB klasyczny

Laser DFB z przesunięciem fazy o λ/4

temperatura [°°°°C]

Lasery DFBcharakterystyka spektralna

Struktury VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser)

p-DBRizolacja

kontaktgórny

kontakt dolny emisja światła

struktura typu „mesa”

n-DBR

kontaktgórny

kontaktdolny

emisja światła

struktura z implantacją protonów

kontaktp-GaAs

kontakt dolnywarstwa AR

struktura z aperturą dielektryczną

podłoże „n”

tlenek

obszaraktywny

DBR 18.5 okresu

DBR22 okresy

kontakt górny

prąd [mA]0 5 10 15 20

moc

opt

yczn

a [m

W]

0

1

2

3

4

Ith

prąd [mA]5

napięc

ie [V

]

0

1

10 15 20

2

3

4

temperatura [°°°°C]-10

prąd

pro

gow

y [m

A]

0

2

20 60 100

4

6

8

1

3

5

7

0 40 80-20długość fali [nm]

moc

(jed

nost

ki w

zglę

dne)

843 848 853

Struktury VCSEL podstawowe charakterystyki

12

RCLED (Resonant Cavity LED)MCLED (MicroCavity LED)

podłoże

obszar aktywny

stożek światła

emisja światła

n2

n1

emisja spontaniczna w ośrodku izotropowym

~4% mocy

emisja światła

obszar aktywny

n2

n1

podłoże

lustra Bragg’a

emisja spontaniczna w mikrownęce

~10-12% mocy•moc optyczna 1 mm POF: -1.5 dBm•długość fali: 650 nm•szerokość spektralna FWHM: 20 nm•szybkość modulacji: 250 MBit/s

FC300R/300D RCLED ROSA/TOSA

•przemysł samochodowy•IDB 1394: 18 m @ 250 MBit/s

•małe sieci biuro/dom (SOHO):•IEEE 1394b S100/Ethernet: 100 m @ 125 MBit/s•IEEE 1394b S200: 50 m @ 250 MBit/s

Przykładowe obszary zastosowań:

Co można znaleźć w obudowie lasera?

UKŁADY ODBIORCZE I NADAWCZE

13

Przykładowy układ odbiorczy„Front End”

Przykładowy układ odbiorczy„Limiter”

RB

RC

UCC

RE

UCC

UCC

IEE

UB

R

Przykładowe układy nadawcze - LED

ki

FDP IPOL

ILASIMON

IREF

IMOD

Pλ Pλ

Przykładowe układy nadawcze - laser

RI

Rk

kI

kII

P REFk

i

i

PR

i

MODREF

i →+

���

����

�−+

= ∞→

ε

ε

λ 1

14

temperatura obudowy [°°°°C]

nach

ylen

ie c

hara

kter

ysty

ki [m

W/m

A]

temperatura obudowy [°°°°C]

prąd

pro

gow

y [m

A]

prąd [mA]

moc

opt

yczn

a [m

W]

temperatura obudowy [°°°°C]

temperatura obudowy [°°°°C]

UMOD

UCC

UREF

I*MOD

UB

UCC

R*MON

C

RE

Przykładowe układy nadawcze - laser