-
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
longit
udina
l
wzdłu
żny
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
stoś
ćm
ocy
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
L2L1
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*10-4m = 2000
struktura DBRDistributed Bragg Reflector
struktura DFBDistributed 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