OPTINĖSELEKTRONIKOS ĮTAISAI - el.vgtu.lt · sr sr nr vid 2π 1; 2π 1; 1 1 1; τ η τ τ τ τ...

1. Šviesolaidžiai2. Šviesos šaltiniai3. Puslaidininkiniai ir kiti optinės elektronikos įtaisai

Literatūra:

1. S. Štaras. Puslaidininkinės ir funkcinės elektronikos įtaisai. Vilnius: Technika, 2005. 468 p.

2. S. Štaras. Optinio ryšio sistemų elementai. V.: Technika, 1998. 72 p.3. S.Štaras. Optinės elektronikos įtaisai.

http://www2.el.vgtu.lt/electronics/fizfun/fizfun.htm

OPTINĖS ELEKTRONIKOS ĮTAISAI

VGTU EF ESK [email protected]

1Mikrobangų ir optinės elektronikos įtaisai 2008

OPTINĖ ELEKTRONIKA. ŠVIESOS ŠALTINIAI

• Bendros žinios

• Injekcinė liuminescencija. Vidinis kvantinis našumas

• Dviguba heterosandūra

• Išorinis kvantinis našumas

• Fotonų ir elektronų sąveika

• Šviesos stiprinimas

• Lazeriniai diodai

• Moduliacijos būdai



Šviesos šaltiniai ir detektoriai

Šviesos šaltiniai:• Šviesos diodai• Lazeriniai diodai

Fotodetektoriai:• Heterosandūriniai pin diodai • Griūtiniai fotodiodai

Šaltiniui – platesnės draudžiamosios juostos puslaidininkis

Pirmosios kartos optinio ryšio sistemos: 0,85 µm šviesa, GaAs-GaAlAs šviesos šaltiniai, Si detektoriai.

Kai λ = 1,3; 1,55 µm: InGaAsP-InP šviesos šaltiniai, Ge arba InGaAs-InP detektoriai.

Šviesos diodai - nekoherentinės šviesos šaltiniai:

• Platus spinduliavimo kampas• Platus bangos ilgių spektras

Lazeriniai diodai – koherentinės šviesos šaltiniai:

• Kryptingas spinduliavimas• Siauras bangos ilgių spektras• Didesnė galia iš mažesnio ploto• Geresnės dažninės savybės

(virpesius galima moduliuoti platesnio spektro signalais)



Injekcinė liuminescencija. Vidinis kvantinis našumas

Tekant per puslaidininkinį diodą tiesioginei srovei, į pn sandūros sritįinjektuojami elektronai ir skylės. Vykstant krūvininkų rekombinacijai, energija gali atsipalaiduoti šviesos kvantų pavidalu.

Rekombinacija gali vykti įvairiai.




Vidinis kvantinis našumas:Si: 10-5 GaAs: ...0,5

Kai kuriuose puslaidininkiuose (šių puslaidininkių – netiesioginio tarpo puslaidininkių –grupei priklauso ir silicis) elektronas susiduria su kristaline gardele, pakinta jo impulsas, ir tik tada elektronas šoka į valentinę juostą ir rekombinuoja su skyle. Tikimybė, kad tuo pat metu vyks du procesai yra nedidelė. Todėl netiesioginio tarpo puslaidininkiuose vyrauja nespinduliuojamoji rekombinacija per rekombinacijos centrus.

Injekciniams puslaidininkiniams šviesos šaltiniams tinka tik sudėtiniai tiesioginio tarpo puslaidininkiai.

Generuojamų fotonų ir pnsandūrą kertančių krūvininkųskaičių santykis vadinamas vidiniu kvantiniu našumu.




f

ff

k4,2

/hc;k

W

T∆

WTWW

≅=

=+∆=

λλ

γ

λ

λλλλ/µµµµm γγγγ ∆λ∆λ∆λ∆λ/nm0,85 0,043 36

1,30 0,065 85

1,55 0,078 120

Šviesos diodo spinduliuojamų fotonų energijos pasiskirstymą galima rasti atsižvelgiant į elektronų ir skylių energijų pasiskirstymus pagal energijas laidumo ir valentinėje juostose.




Vidinis kvantinis našumas:Si: 10-5 GaAs: ...0,5

Injekciniams puslaidininkiniams šviesos šaltiniams tinka tik sudėtiniai tiesioginio tarpo puslaidininkiai...



Silicio lazeriniai diodai

IEEE Spectrum | October 2005

http://ieeexplore.ieee.org/iel5/6/32468/01515960.pdf?isnumber=32468&prod=JNL&arnumber=1515960&arSt=+44&ared=+49&arAuthor=Coffa%2C+S.



Crystals of pure silicon and rare earth ions in silicon dioxide

Light

Rare-earth ion

Silicon nanocrystal

Electron






Silicio šviesos šaltinių veikimas pagrįstas šiaisprincipais:

1. Silicio nanokristalai silicio diokside veikia kaip kvantiniai narvai. Kuo mažesnis nanokristalas, tuo platesnė draudžiamoji juosta. Be to kvantiniai narvai leidžia spręsti momentų problemą ir padidinti spindulinės rekombinacijos tikimybę.

2. Į silicį įterpti retųjų žemės elementų (lantanidų nuo 58 (cerio) iki 71 (lutecio)) jonai spinduliuoja šviesą.




Įtaisas spinduliuoja šviesą normalioje temperatūroje. Jo kvantinis našumas gali būti iki 10 % nuo kvantinio našumo, gaunamo panaudojant III-V grupių medžiagas ir šiuolaikiškas technologijas.

Šviesos spalva priklauso tik nuo panaudoto lantanido. Samaris skleidžia raudonos, terbis –žalios, ceris – mėlynos spalvos šviesą, erbis –infraraudonuosius spindulius, taikomus telekomunikacijose.

Kol kas šviesos galia – maža...




Optical fiberMirrors

Modulators

Electronics

Photodetector

Laser

Optoelektroninis lustas


http://ieeexplore.ieee.org/iel5/6/32468/01515959.pdf?isnumber=32468&prod=JNL&arnumber=1515959&arSt=+38&ared=+43&arAuthor=Panicia%2C+M.%3B+Koehl%2C+S.



… pakeisti varinį laidininką optine skaidula, vietoje elektronų naudoti fotonus.

Slicio fotonikos perspektyva – visur taikyti optinių ryšių principus.Gamintojai galės sudaryti optoelektroninius elementus taikydami silicio integrinių grandynų gamybos technologiją. Fotonikos elementų savikaina labai sumažėtų.

… integruotas silicio luste imtuvas-siųstuvas galėtų priimti ir siųsti duomenis 10 ir net 100 gigabitų per sekunde sparta.


http://ieeexplore.ieee.org/iel5/6/32468/01515959.pdf?isnumber=32468&prod=JNL&arnumber=1515959&arSt=+38&ared=+43&arAuthor=Panicia%2C+M.%3B+Koehl%2C+S.



Dviguba heterosandūra

Šiuolaikiniuose puslaidininkiniuos injekciniuose šviesos šaltiniuose panaudojamos dvigubosios heterosandūros.

Jos tokios reikšmingos, kad už jų teorijos ir technologijų sukūrimą Alferovui ir Krameriui buvo paskirta 2000 metų Nobelio premija.

…Jei nagrinėdamas puslaidininkiųproblemą nesugebate nubrėžti energijos juostų diagramos, tuomet nesuprantate, kąšnekate...

...We did the work all day and night

And when could neither work nor think

We had the Russian vodka drink.

But afterwards it proved all right...



srvidm

nrsrsrvid π2

1 ;

π2

1 ;

111 ;

τη

ττττττ

η ==++== ∆Ffd

s

Dviguba heterosandūra

Privalumai: 1. Didelis krūvininkų injekcijos įaktyvųjį sluoksnį efektyvumas.2. Krūvininkai priversti rekombinuoti aktyviajame sluoksnyje.3. Platesnės draustinės juostos sluoksniai skaidrūs.4. Aktyvusis sluoksnis – optinis bangolaidis.



% 05,0...2

)(2p

22

21vid

0vids

=−

≅

≅≅

n

nnt

Φ

Φt

η

ηη

Šviesos diodų išorinis kvantinis našumas

krθθ ≤2p

2a 2nns =

Medžiagų ribą įveikiasrauto dalis

2pap

3a

)(

2

nnn

nst

+=

012,0...)1(vid =−≅ stαηη



Combined spectral curves for blue, yellow-green, and high brightness red solid-state semiconductor LEDs. FWHM spectral bandwidth is approximately 24-27 nanometres for all three colors.

Šviesos diodai

Optinio ryšio sistemų atveju svarbu, kad galimai didesnė šviesos energijos dalis iš šviesos šaltinio patektų į optinęskaidulą. Atsižvelgiant į šį ir kitus specifinius reikalavimus, keliamus optinio ryšio sistemų šviesos šaltiniams, buvo sukurta specialių šviesos diodųkonstrukcijų.



Šviesos diodai

Optinio ryšio sistemų atveju svarbu, kad galimai didesnė šviesos energijos dalis iš šviesos šaltinio patektų į optinę skaidulą. Atsižvelgiant į šį ir kitus specifinius reikalavimus, keliamus optinio ryšio sistemų šviesos šaltiniams, buvo sukurta specialių šviesos diodų konstrukcijų.



Šviesos diodai

Blue, green and red LEDs. An ultraviolet GaN LED.



1. Šviesos diodui panaudotas galio arsenidas, kurio draudžiamosios juostos plotis ∆W = 1,42 eV. Raskime šviesos diodo intensyviausiai spinduliuojamos šviesos bangos ilgį ir šviesos spektrinės linijos santykinįplotį 0 0C ir 100 0C temperatūrose. Palyginkime šviesos bangos ilgio santykinį pokytį ir šviesos spektrinės linijos santykinį plotį. Įvertinkime maksimalaus intensyvumo virpesių dažnio absoliutinį pokytį.

2. Sudarykime dvigubos GaAlAs-GaAs-GaAlAs NpP heterosandūrosenergijos lygmenų diagramą, kai neveikia išorinė įtampa. Kokio poliarumo įtampa šiai dvigubai heterosandūrai būtų tiesioginė? Kaip pasikeistųheterosandūros energinė diagrama veikiant tiesioginei įtampai?

3. Dvigubos heterosandūros aktyviojo sluoksnio storis – 0,5 µm, spindulinės rekombinacijos laiko pastovioji – 10 ns, nespindulinės rekombinacijos laiko pastovioji – 30 ns, rekombinacijos greitis heterosandūroje – 10 m/s. Raskime heterosandūros kvantinį našumą ir moduliacijos dažnių juostos viršutinį dažnį.

Šviesos diodai. Užduotys



4. Šviesos diodo sandūra atvaizduota 2.10 (14.26) paveiksle, a. Viršaktyviojo sluoksnio yra puslaidininkis, kurio lūžio rodiklis – 3,7. Diodovidinis kvantinis našumas – 0,7. Raskime diodo išorinį kvantinįnašumą.

5. Šviesos diodo ir skaidulos sąsaja atvaizduota 2.10 (14.27) paveiksle, b. Skaidulos NA = 0,1. Raskime šaltinio-skaidulos kvantinį našumą.

6. Šviesos diodui panaudota dviguba NpP heterosandūra, kurios storis 0,5 µm. Medžiagų parametrai duoti lentelėje. Kai diodo tiesioginėįtampa 2 V ir per jį teka 100 mA srovė, diodas spinduliuoja 2 mWoptinę galią. Koks diodo, kaip energijos keitiklio, naudingumo koeficientas?

0,42,52,13

0,23,11,42

0,42,52,11

WFi-WviWci-WFiΧi∆Wii




Šviesos diodui panaudotas galio arsenidas, kurio draudžiamosios juostos plotis ∆W = 1,42 eV. Raskime šviesos diodo intensyviausiai spinduliuojamos šviesos bangos ilgį ir šviesos spektrinės linijos santykinį plotį 0 0C ir 100 0C temperatūrose. Palyginkime šviesos bangos ilgio santykinį pokytį ir šviesos spektrinės linijos santykinį plotį. Įvertinkime maksimalaus intensyvumo virpesių dažnio absoliutinį pokytį.

Šviesos diodai



eV 452,1106,1/3731038,142,1k 1923f ≅⋅⋅⋅+≅+≅ −−T∆WW

µm854,0452,1

24,124,1

f

≅=≅W

λ

eV 444,1106,1/2731038,142,1k 1923f ≅⋅⋅⋅+≅+≅ −−T∆WW

µm859,0444,1

24,124,1

f

≅=≅W

λ 039,0...k4,2

f

≅=≅W

Tγ

053,0...k4,2

f

≅=≅W

Tγ

Šviesos diodui panaudotas galio arsenidas, kurio draudžiamosios juostos plotis ∆W = 1,42 eV. Raskime šviesos diodo intensyviausiai spinduliuojamos šviesos bangos ilgį ir šviesos spektrinės linijos santykinį plotį 0 0C ir 100 0C temperatūrose. Palyginkime šviesos bangos ilgio santykinį pokytį ir šviesos spektrinės linijos santykinį plotį. Įvertinkime maksimalaus intensyvumo virpesių dažnio absoliutųjį pokytį.

Šviesos diodai



Hz102... 12

12

⋅≅=−=λλcc

∆f

%6,00058,0...1

12 ≅≅=−λ

λλ

C0kai%,4039,0...k4,2 0

f

=≅≅=≅ TW

Tγ

Sudarykime dvigubos GaAlAs-GaAs-GaAlAs NpP heterosandūros energijos lygmenų diagramą, kai neveikia išorinė įtampa. Kokio poliarumo įtampa šiai dvigubai heterosandūrai būtų tiesioginė? Kaip pasikeistų heterosandūrosenerginė diagrama veikiant tiesioginei įtampai?

Šviesos diodai



N P p N P p

W

Wc

WF

Wv

– +

W

Wc

WF

Wv

srvidm

nrsrsrvid π2

1 ;

π2

1 ;

111 ;

τη

ττττττ

η ==++== ∆Ffd

s

Dvigubos heterosandūros aktyviojo sluoksnio storis – 0,5 µm, spindulinės rekombinacijos laiko pastovioji – 10 ns, nespindulinės rekombinacijos laiko pastovioji – 30 ns, rekombinacijos greitis heterosandūroje – 10 m/s. Raskime heterosandūros kvantinį našumą ir moduliacijos dažniųjuostos viršutinį dažnį.

Šviesos diodai



16

nrsr

s10153...111 −⋅≅=++=

d

s

τττ

65,01010153

186

srvid ≅

⋅⋅==

−ττ

η

MHz3,24...π2

1 ≅==

τ∆F

4. Šviesos diodo sandūra atvaizduota 2.10 (14.26) paveiksle, a. Viršaktyviojo sluoksnio yra puslaidininkis, kurio lūžio rodiklis – 3,7. Diodovidinis kvantinis našumas – 0,7. Raskime diodo išorinį kvantinįnašumą.

5. Šviesos diodo ir skaidulos sąsaja atvaizduota 2.10 (14.27) paveiksle, b. Skaidulos NA = 0,1. Raskime šaltinio-skaidulos kvantinį našumą.

6. Šviesos diodui panaudota dviguba NpP heterosandūra, kurios storis 0,5 µm. Medžiagų parametrai duoti lentelėje. Kai diodo tiesioginė įtampa 2 V ir per jį teka 100 mA srovė, diodas spinduliuoja 2 mW optinę galią. Koks diodo, kaip energijos keitiklio, naudingumo koeficientas?

0,42,52,13

0,23,11,42

0,42,52,11





Šviesos diodo sandūra atvaizduota 2.10 (14.26) paveiksle, a. Virš aktyviojo sluoksnio yra puslaidininkis, kurio lūžio rodiklis – 3,7. Diodo vidinis kvantinis našumas – 0,7. Raskime diodo išorinį kvantinį našumą.

Šviesos diodai



stst vidvid )1( ηαηη ≅−≅

037,0...2 p

2a ≅==n

ns

67,0...)(

42

pa

pa ≅=+

=nn

nnt

017,0...vid ≅≅≅ stηη

Šviesos diodo ir skaidulos sąsaja atvaizduota 2.10 (14.27) paveiksle, b. Skaidulos NA = 0,1. Raskime šaltinio-skaidulos kvantinį našumą.

Šviesos diodai



( )

%017,000017,07,32

1,067,07,0

2

)(

2

)(

2

2

2p

22

21vid

s

222

2

2p

22

21vid

0vids

1

=≅⋅

⋅⋅≅

−≅

=−

−≅≅

n

nnt

NAnn

n

nnt

Φ

Φt

ηη

ηηη

Šviesos diodui panaudota dviguba NpP heterosandūra, kurios storis 0,5 µm. Medžiagų parametrai duoti lentelėje. Kai diodo tiesioginė įtampa 2 V ir per jį teka 100 mA srovė, diodas spinduliuoja 2 mW optinę galią. Koks diodo, kaip energijos keitiklio, naudingumo koeficientas?

0,42,52,13

0,23,11,42

0,42,52,11


Šviesos diodai



%101,02,0

102 3

==⋅

=−

η

Fotonų ir elektronų sąveika. Šviesos stiprinimas

Šviesos sugertis (a), savaiminė emisija (b) ir stimuliuotoji emisija (c)

( ) tBP d21121 νρ= ( ) tBP d21212 νρ=

sp21213 /1 ,d τ== AtAP

Tikimybės:

ρ(ν) – spinduliuotės spektrinis tankis –šviesos energijos kiekis, tenkantis tūrio vienetui ir spektrinio dažnio vienetui νaplinkoje.

2122121221121 )()( AnBnBn += νρνρ

( )

1/

/

212121

2121

212121

21221

−=

=−

=

BnBn

BA

BnBn

Anνρ

−=

T

WW

n

n

kexp 12

2

1

( )( ) 1k/hexp

c/πh8 33

BB −=

Tνν

νρ

Planko dėsnis (absoliučiai juodo kūno spinduliuotės tankis):

BBB == 2112

3

321

21

21

c

πh8 ν==

B

A

B

APusiausvyros sąlygomis



322211 PnPnPn +=


Galios spektrinio tankio funkcija

Jeigu veikia šviesa, tai

)()( 21BB21 νρνρ >>

Dėl elektronų energijos neapibrėžtumo ... spinduliavimo ir absorbcijos spektrinėlinija yra riboto pločio:

( ) 1d0

=∫∞

ννξ

Atomų žadinimo sparta (sužadintų tūrio vienete per laiko vienetą atomų skaičius, nevertinant spontaninės emisijos):

( )( ) ( ) ννξνρ d212211 nnBPnPnt

n−=−=

∂∂

1d kai ,h =∂∂

ννt

n

– spektrinio energijos tankio pokytis per laiko vienetą:

( ) ( ) ( ) ( )νξννρνρ

21h nnBt

−−=∂

∂

Šviesai įveikiant nuotolį dz,

( )z

z

PP d

dd

∂∂

−=νν

Kadangi ),(c)( νρν =P

( )

( ) ( )z

tz

z

zz

PP

dd

dc/

d

dd

d

∂∂

−=∂

∂−=

=∂

∂−=

ννρννρ

νν




( ) ( )tz

P

∂∂

=∂

∂ νρν ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )ννανξννν

PnnP

Bz

P−=−−=

∂∂

21hc

( ) ( ) ( )νξννα 21hc

nnB

−= ( ) ( ) ( )zPzP νανν −= e,0,

Kai n1> n2, terpėje sklindanti šviesa slopinama.

Sudarius lygmenų užpildymo inversiją, gaunamas stiprinimas:

( ) ( ) ( ) ( )c

h 12 νξνναν

nnBg

−=−= ( ) ( ) ( )zgPzP ννν e,0, =

( ) ( ) ( )sp

212

2

π8

c

τννξ

νnn

g−

=




Šviesos sugertis (a), savaiminė emisija (b) ir stimuliuotoji emisija (c)

( ) ( ) ( )νξννα 21hc

nnB

−=

( ) ( ) ( )zPzP νανν −= e,0,

Kai n1> n2, terpėje sklindanti šviesa slopinama.

Sudarius lygmenų užpildymo inversiją, gaunamas stiprinimas:

( ) ( ) ( ) ( )c

h 12 νξνναν

nnBg

−=−=

( ) ( ) ( )zgPzP ννν e,0, = ( ) ( ) ( )sp

212

2

π8

c

τν

νξν

nng

−=

Normuotoji galios spektrinio tankio funkcija



Šviesos stiprinimas

Energijos lygmenų apgrąža galima trijų lygmenų sistemoje ir pn sandūroje.

Pasiekus lygmenų užpildymo apgrąžą, galimasšviesos stiprinimas. Kvantinio stiprintuvo stiprinimo koeficientas atvirkščiai proporcingas spektrinės linijos pločiui:

( ) ( ) ( )sp

212

2

π8

c

τννξ

νnn

g−

=

3 ( W 3 ) 2 ( W 2 )

1 ( W 1 )

Spontaninis spinduliavimas

Stimuliuotasis spinduliavimas

Žadinimas Kaupinimas

W

h ν

a b



Ilga gyvavimo trukmė

Atsižvelgiant į koeficientų B ir A išraiškas:

1. Stiprintuvas + grįžtamasis ryšys → generatorius = lazeris.

2. Grįžtamajam ryšiui sudaryti panaudojamas optinis rezonatorius, sudarytas tarp dalinai šviesąatspindinčių veidrodžių.

3. Lazerio virpesių spektro pobūdįlemia rezonatoriaus savųjų virpesiųdažniai.

4. Virpesiai susižadina, kai tenkinamos amplitudžių ir faziųbalanso sąlygos.

( ) ( ) ( )[ ]lgRRPP 2exp00 s212 α−=

( )[ ] 12exp s21 >− lgRR α

+=>

21sΣ

1ln

2

1

RRlg αα ( )

( )22

1

1

+

−=

n

nR

Amplitudžių balanso sąlyga:

LASER – Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation



Lazeriniai diodai

nlk k =2

λnl

kf

kk 2

cc==

λ nlf

2

c=∆

nlf

f kk 2

2λ∆λλ∆ ==

Lazerio šviesos spektras siauresnis nei šviesos diodo – dėl energijos juostųužpildymo ypatumų ir optinio rezonatoriaus savybių.

Spinduliavimas kryptingas.

Fazių balanso sąlyga tenkinama, jeigu krintančiosios bangos ir bangos, atsirandančios po antrojo atspindžio, fazės yra vienodos.

Tarp veidrodžių turi tilpti sveikas šviesos pusbangių skaičius.

ff

dc

d2

=λ



1954 m.: mazeriai: C.H.Townes, N.Basovas, A.Prochorovas1960 m.: kietojo kūno (rubino) lazeris1962 m.: pirmieji puslaidininkiniai injekciniai lazeriai, J = … 300–500 A/mm2

1968 – 70 m.: GaAs, GaAlAs technologija, heterosandūros, J → 5 A/mm2

Lazeriniai diodai

United StatesSoviet UnionSoviet Union

Charles Hard TownesNicolay Gennadiyevich BasovAleksandr Prokhorov

1964

Nobel Prize ... "for fundamental work in the field of quantum electronics, which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle"



Lazeriniai diodai

hhFpFn WW∆W −

<<ν

Kai , terpė yra skaidri.

Kai , ji ne stiprina, o slopina šviesą.

W∆ν <h

FpFnh WW −>ν

I � ∆λ �

Panaudojama dviguboji heterosandūra.

Aktyviajai sričiai – išsigimęs puslaidininkis.

Veikiant tiesioginei įtampai gaunama lygmenų užpildymo apgrąža.

Patarąją priklausomybępatikslinsime...



1 – Jef=0,

2 – 30, 3 – 60,

4 – 120 A/mm2µm

d

JJ

2vid

efη

=

( )( )0efefmax JJSg −=

Lazeriniai diodai

Šviesos stiprinimą lemia

;21

22

2

V

V

+≅Γ

Aktyvusis sluoksnis – šviesolaidis. Juo sklinda šviesos srauto dalis

čia V – normuotasis dažnis.

Normuotasis dažnis ir koeficientas Γ priklauso nuo aktyviojo sluoksnio storio.



( )[ ]0efefmax JJSg −=

( )

++≅=

21s0ef

videf

vidsl

1ln

2

1122

RRlSJ

dJ

dJ α

Γηη

[ ]

+>−

21s0efef

1ln

2

1)(

RRlJJS αΓ

Slenkstinis srovės tankis:

+=>

21sΣ

1ln

2

1

RRlg αα

Kuo mažesnis slenkstinis srovės tankis, tuo geresnis lazerinis diodas.

Slenkstinį srovės tankį galima sumažinti mažinant aktyviojo sluoksnio storį, efektinį slopinimą, ...

Lazeriniai diodai



UI

I

UI

P

q

h1 slo

D

νηη

−≅=

Rekordinis naudingumokoeficientas – per 65 %.

ηην →≅>> D,hq, UII sl

Liuksamperinė LD charakteristika

qslII

Φ−

≅η

νην hq

h slo

IIΦP

−≅=

Lazeriniai diodai



GaAlAs-GaAs lazerinis diodas su paslėptąja heterosandūra

Optinio ryšio sistemų lazeriniai diodai

Metal o sluoksnis

n GaAs pagrin das

N AlGaAs sluoksnis

Aktyvusis p GaAs sluoksnis

Kontaktinis p + GaAs sluoksnis

SiO 2 sluoksnis

Metalo sluoksnis (diodo anodas)

P AlGaAs sluoksnis

N AlGaAs

Optinio ryšio ir kitoms elektroninėms sistemoms reikalingi: ilgaamžiai, patikimai veikiantys plačiame temperatūrų ruože, pakankamai galingi, stabilūs, mažo emisijos ploto, kryptingai spinduliuojantys šviesą, leidžiantieji pasiekti didelę moduliacijos spartą, ... lazeriniai diodai..

LD: panaudojamos heterosandūros, aktyvioji sritis – juostelės pavidalo (atlieka bangolaidžio funkcijas), ...



Vienos modos selekcija

Šviesą selektyviai atspindinčios gardelės

C3 (Cleaved-coupled cavity) lazeriai

Lazerinių diodų, kuriuose panaudotos selektyviai atspindinčios šviesą gardelės, supaprastinti išilginiai pjūviai: 1 – N InP pagrindas; 2 –InGaAsP aktyvusis sluoksnis; 3 – P InP sluoksnis; 4 – gardelė; 5 –paskirstytasis Brego reflektorius; 6, 7 – metalo sluoksniai

Siekiant sumažinti dispersija optinėse skaidulose ir taikyti dažninį tankinimą, reikia mažinti spektrinės linijos plotį iki 0,05... 10-3 nm



A packaged laser diode with penny for scale.



MetalSiO2

Active layer

Lazerinis diodas



Two varieties of telecommunication laser diodes: (a) dual-in-line 14 pin, and (b) butterfly package.

Lazeriniai diodai



Zarlink launches a new line of long-wavelength laser diodes with the industry’s highest level of customization. The ZL60401 laser diodes can be tailored for a broad range of industrial and commercial equipment, as well as telecom and datacom applications.

Lazerinis diodas



The key to Intel's continuous silicon laser—the world's first—is a PIN (p-type–intrinsic–n-type) diode placed on either side of the light beam. The diode sweeps free electrons from the path of the light. Without it, the electrons build up and absorb some of the light, killing the amplification.

http://www.spectrum.ieee.org/print/1915



Moduliacijos būdai

... parazitinė dažnio moduliacija (chirp)

Koherentinėse (lot. –susijusiose, … kai išlaikomas

vienodas fazių skirtumas)sistemose – amplitudės, fazės, dažnio moduliacijos

Lazerinių diodų šviesą galima moduliuoti signalais, kurių dažnis siekia iki 10 GHz, labai paprastai – moduliuojančiu signalu keičiant per diodą tekančiąsrovę. Dažniausiai taikoma amplitudės impulsinė moduliacija. Siekiant sumažinti moduliuojančio srovės impulso amplitudę, gali būti sudaromas srovės slinkis, artimas slenksčio srovei.



Pokelso efektu pagrįstas elektrooptinis šviesos fazės moduliatorius

00 /)(π2)( λϕ LEnLkEn ==

Macho-Zenderio interferometras

2coscos

2

1

2

1 2ininino

ϕϕ PPPP =+=

Macho-Zenderio interferometro, kaip galios moduliatoriaus, charakteristikos, kai ϕ0=π/2 (1 kreivė) ir ϕ0=π (2 kreivė)

π0 π

U

U−= ϕϕ

Moduliacijos būdai



ππ2 1 =t∆ν π2π2 2 =t∆ν

Pasyviojo Macho-Zenderio interferometro panaudojimas šviesos galios moduliacijai pagilinti.

Moduliacijos būdai



Moduliacijos būdai

ENCODING PHOTONS WITH DATA: An optical modulator encodes 1s and 0s by first splitting a laser beam in two and then applying an electric field to the beams, so that one beam is delayed by half a wavelength relative to the other. When the beams recombine, both beams will be out of phase, and they will cancel out.When no voltage is applied, on the other hand, the beams remain in phase when recombined. Encoding the beam with 1s and 0s, then, means making the beams interfere (0) or keeping them in phase (1).



The key to Intel's continuous silicon laser—the world's first—is a PIN (p-type–intrinsic–n-type) diode placed on either side of the light beam. The diode sweeps free electrons from the path of the light. Without it, the electrons build up and absorb some of the light, killing the amplification.

http://www.spectrum.ieee.org/print/1915



1. Puslaidininkinio lazerio aktyviosios srities ilgis l = 0,3 mm, storis – 2 µm, lūžio rodiklis n =3,6, spinduliuojamos šviesos bangos ilgis – 0,84 µm, slopinimo koeficientas α = 3,5⋅103 m-1. Raskime šviesos stiprinimo koeficientą, kuris būtinas, kad susižadintų virpesiai. Kaip pasikeistų gmin, jeigu vienas veidrodis pilnai atspindėtųšviesą?

2. GaAs lazerinio diodo optinio rezonatoriaus ilgis – 0,5 mm, n = 3,7. Spinduliuojamųvirpesių spektro linijos plotis – ~1,5 nm. Galimai išsamiau apibūdinkime diodo spinduliuojamos šviesos spektrą.

3. Puslaidininkinio lazerio λ = 1,3 µm. Jo rezonatorius yra stačiakampio gretasienio formos, l = 150 µm, w = 20 µm, 2d = 1 µm. Medžiagos lūžio rodiklis n ≅ 4. Apskaičiuokime išilginės modos numerį ir nuotolį tarp artimiausių generuojamos šviesos bangos ilgių.

4. Pakomentuokite 2.16 (14.13) ir 2.17 (14.34) paveikslus.

5. Pagal 2.17 (14.13) paveikslą raskime srovės tankį ir stiprumą, kurie užtikrina g > 0. Raskime charakteristikos gmax(Jef) statumą. Lazerinio diodo aktyviosios srities storis –0,5 µm, plotis – 20 µm, ilgis – 0,4 mm. Vidinis kvantinis našumas ηvid = 0,5.

Užduotys



6. Raskime GaAlAs-GaAs lazerinio diodo aktyviuoju sluoksniu sklindančios šviesos galios dalį, jeigu galio arsenido n = 3,6, ∆n = 0,4, 2d = 0,5 µm.

7. Lazeriniam diodui panaudota GaAlAs-GaAs heterostruktūra. ηvid = 0,8, Γ = 0,8, 2d = 0,5 µm, l = 0,4 mm, b = 10 µm, R1 = 1, R2 = 0,33, α = 1 mm-1, (Jef)0 = 4,3⋅1013 A⋅m-3, S = 4,8⋅10-10 m2/A. Raskime slenkstinį srovės tankį ir stiprį.

8. Laikydami, kad lazerinio diodo aktyviajam sluoksniui panaudotas GaAs, pagal 2.19 paveikslą raskime diodo naudingumo koeficientą, kai I = 0,5 ir 0,6 A.

9. InGaAsP lazerinio diodo spinduliuojamos šviesos bangos ilgis yra ~1550 nm. Kaip galima rasti vienmodžio lazerinio diodo, sudaryto pagal 2.22 paveikslą, a, gardelės periodą?

Užduotys



Puslaidininkinio lazerio aktyviosios srities ilgis l = 0,3 mm, storis – 2 µm, lūžio rodiklis n =3,6, spinduliuojamos šviesos bangos ilgis – 0,84 µm, slopinimo koeficientas α = 3,5⋅103 m-1. Raskime šviesos stiprinimo koeficientą, kuris būtinas, kad susižadintųvirpesiai. Kaip pasikeistų gmin, jeigu vienas veidrodis pilnai atspindėtų šviesą?

Puslaidininkiniai lazeriai



32,0...1

12

≅=

+−

=n

nR

13

21sΣ m103,7...

1ln

2

1 −⋅≅=

+=>

RRlg αα

13sΣ m104,5...

1ln

2

1 −⋅≅=

+=>Rl

g αα

GaAs lazerinio diodo optinio rezonatoriaus ilgis – 0,5 mm, n = 3,7. Spinduliuojamųvirpesių spektro linijos plotis – ~1,5 nm. Galimai išsamiau apibūdinkime diodo spinduliuojamos šviesos spektrą.




µm87,0...chc

≅=∆

≅=Wν

λ nm2,02

2

≅=∆nl

kλλ

tipųvirpesiųiųatitinkančmodasišilgines5,72,0

5,1≅

Puslaidininkinio lazerio λ = 1,3 µm. Jo rezonatorius yra stačiakampio gretasienio formos, l = 150 µm, w = 20 µm, 2d = 1 µm. Medžiagos lūžio rodiklis n ≅ 4. Apskaičiuokime išilginės modos numerį ir nuotolį tarp artimiausių generuojamos šviesos bangos ilgių.




923...2

2≅===

λλ nl

knlk

nm4,1...2

2

≅==∆nl

kλλ

Pagal 2.17 (14.34) paveikslą raskime srovės tankį ir stiprumą, kurie užtikrina g > 0. Raskime charakteristikos gmax(Jef) statumą. Lazerinio diodo aktyviosios srities storis –0,5 µm, plotis – 20 µm, ilgis – 0,4 mm. Vidinis kvantinis našumas ηvid = 0,5.




( )( )0efefmax JJSg −=

( )[ ]( )[ ]0ef

123

0ef123

101201035

10601010

JS

JS

−⋅=⋅

−⋅=⋅( )

A

µmmm41,0

A

m1041,0

µmmm

A36

m

A1036

23

2312

0ef

⋅=⋅≅

=⋅≅

−S

J

( )

mA288...104,010201036

...2

36600

0ef0

≅=⋅⋅⋅⋅⋅==

==

−−QJI

Jd

Jη

6. Raskime GaAlAs-GaAs lazerinio diodo aktyviuoju sluoksniu sklindančios šviesos galios dalį, jeigu galio arsenido n = 3,6, ∆n = 0,4, 2d = 0,5 µm.

7. Lazeriniam diodui panaudota GaAlAs-GaAs heterostruktūra. ηvid = 0,8, Γ = 0,8, 2d = 0,5 µm, l = 0,4 mm, b = 10 µm, R1 = 1, R2 = 0,33, α = 1 mm-1, (Jef)0 = 4,3⋅1013 A⋅m-3, S = 4,8⋅10-10 m2/A. Raskime slenkstinį srovės tankį ir stiprį.

8. Laikydami, kad lazerinio diodo aktyviajam sluoksniui panaudotas GaAs, pagal 2.19 (14.36) paveikslą raskime diodo naudingumo koeficientą, kai I = 0,5 ir 0,6 A.

9. InGaAsP lazerinio diodo spinduliuojamos šviesos bangos ilgis yra ~1550 nm. Kaip galima rasti vienmodžio lazerinio diodo, sudaryto pagal 2.22 (14.40) paveikslą, a, gardelės periodą?

Užduotys



Raskime GaAlAs-GaAs lazerinio diodo aktyviuoju sluoksniu sklindančios šviesos galios dalį, jeigu galio arsenido n = 3,6, ∆n = 0,4, 2d = 0,5 µm.




94,0...21

2

98,2...π2

2

2

22

21

≅=+

≅

≅=−=

V

VΓ

nnd

Vλ

Lazeriniam diodui panaudota GaAlAs-GaAs heterostruktūra. ηvid = 0,8, Γ = 0,8, 2d = 0,5 µm, l = 0,4 mm, b = 10 µm, R1 = 1, R2 = 0,33, α = 1 mm-1, (Jef)0 = 4,3⋅1013 A⋅m-3, S = 4,8⋅10-10 m2/A. Raskime slenkstinį srovės tankį ir stiprį.




( )

mA124...

A/m101,3...1

ln2

1122

slsl

37

21s0ef

videf

vidsl

≅==

⋅≅=

+

Γ+≅=

QJI

RRlSJ

dJ

dJ α

ηη

Laikydami, kad lazerinio diodo aktyviajam sluoksniui panaudotas GaAs, pagal 2.19 (14.36) paveikslą raskime diodo naudingumo koeficientą, kai I = 0,5 ir 0,6 A.




%86,042,1

1070

%5,35,042,1

1025

3

2

3

1

≅⋅

⋅≅

≅⋅

⋅≅

−

−

η

η

InGaAsP lazerinio diodo spinduliuojamos šviesos bangos ilgis yra ~1550 nm. Kaip galima rasti vienmodžio lazerinio diodo, sudaryto pagal 2.22 (14.40) paveikslą, a, gardelės periodą?




µm456,02

µm228,0...

4,32

≅=

≅=

≅=

∆m

∆

nn

m∆ iλ

OPTINĖSELEKTRONIKOS ĮTAISAI - el.vgtu.lt · sr sr nr vid 2π 1; 2π 1; 1 1 1; τ η τ τ τ τ...

Documents

Transcript of OPTINĖSELEKTRONIKOS ĮTAISAI - el.vgtu.lt · sr sr nr vid 2π 1; 2π 1; 1 1 1; τ η τ τ τ τ...