OPTOELECTRÓNICA:Logros y perspectivas

¿ Por qué OPTO...?

POSIBILIDADESDE 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 m

Detección a distancia

Variedad de

Energía solar

Inmune a perturbaciones

Formación de imágenes

Modificación de materiales

Interacción selectiva

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

h (eV)3 1.6 0.8

(m)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

Semiconductoresinteracción con la luz

Recombinación emisiónGeneración e- h detección

¿ Por qué ...electrónica ?

Prestaciones:

• Bajo coste

• Rapidez eléctrica

• Bajo consumo

• Pequeño tamaño

• Fiabilidad

fotón h >Eg

electrón

hueco +

-

h

BC

BV

I

Eg fotón h =Eg

hueco +

electrón-BC

BV

Eg

“electrónicas” o específicasAplicaciónes:

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

Absorción banda a banda

semicond. directos semicond. indirectos

Para h > Eg absorcion de la luz

atenuación : (x) = (0)·exp(-x)

= coef. de absorción; L = 1/

muy probable (L 1m) poco probable (L 100 m)

• Lo importante es que <1.24/Eg

• …Pero en ambos casos ocurre

• Para 1.3 y 1.55 m: Ge o GaInAs

• El silicio vale para < 1.1 m

Emisión de luz

• directo• Eg h • ’s intermedia?• evitar R no radiativa

aleaciones un semic. para cada

buena calidad

semic. III-V (difícil para «)

¿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

Diodos emisores de luz (LEDs)Los emisores más sencillos

•Inyección de corriente

•Popt = · IF

•Recombinacion (b-b o d-b)

Características: ej.: GaAs

VF ~ 1.2 V

kT ~ 30 nm

Para b-b, ~ g 0.9m

f ~ 1/ < 100 MHz

Alta fiabilidad

LED de visible

visibilidad

colores

• Difícil : grande y corta

• Deseable para:

• Respuesta visual:

material tipo substr. color

GaAs 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+ imp GaP: N I+ imp GaP: ZnO I+ imp

GaInN D+imp

Aplicaciones de los LED de visible

Coste deoperación

instalación

3 - 5 años tiempo

LED

incandescente

LED de infrarrojo (IRED)

• GaAs: 0.95 m 1 MHz

• AlxGa1-xAs/GaAs: 0.85 m 100 MHz • GaInAsP/InP: com.ópticas 100 MHz

GaAsAlGaAs AlGaAs

Ec

Ev

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

Qué es un láser

electrónBC

BV

hh

Fotónh = E2-E1

E2

E1

Emisión estimulada

amplificación de luz

t < t espontaneo

coherencia

Inversión de población

absorcion < em. estim.

requiere bombear electrones

Realimentación óptica

cavidad resonante

inyección umbral

Diodos láserFuncionamiento

• Corriente umbral

• Eficiencia

• Potencia

• Rapidez

• “Monocromáticidad”

• Estabilidad

• Fiabilidad

Diodos láserEstructura

Zona activaQW (tensado)• amplificación

Guia de ondas(n1 > n2)• realimentación• confina e-h

“Cladding”p+ , n+• inyeccion• confinar luz

espejos

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 m altas prestaciones (GaInAs)

Láseres de cavidad vertical (AlGaAs)

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

Laser printer

potencia moderadaLáseres de AlGaAs

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

Bombeo de láseres de estado sólido

Aplicaciones de diodos láser de alta potencia

Aplicaciones industriales

Diodos láser de visible

Interés: visible, menor Materiales: GaInP 670 nm

AlGaInP 630 nm

Color: rojo V630nm > V670nm

Aplicación: punteros

instrumentación

códigos de barras

lectores ópticos (DVD)

(visible)

(menor )

Diodos láser de visible

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) ( x 1.5 )Datos/puntos: x 1.5

Datos: x 7650 nm, 5mW

Láseres violeta: GaN

Dificultades tecnológicas

Nakamura et al. (1996, 1999)

p Ptip Ith VF

0.4 m 5 mW 45 mA 5V

• instrumentación científica• nuevos DVD ?

APLICACIONES

La fibra óptica

• Optica guiada n1>n2

• Monomodo o multimodo

• Dispersión

• Atenuación

• 1a ventana: 0.9 m

• 2a ventana: 1.3 m

• 3a ventana: 1.55 m

Emisores para fibra óptica

•Minimizar atenuacion

•Minimizar dispersion

•Rapidez

•Eficiencia

•Fiabilidad

•Acoplamiento a fibra

Emisores para fibra óptica

Inserción en fibra

• alineamiento

• acoplamiento

• estrategias de micro-óptica

Respuesta en frecuencia

• > 10 GHz

• eliminar RC parásitas

• IF f3dB

Emisores para fibra ópticaLáseres monomodo

Comunicación óptica a larga distanciamodal

espectral Fibras monomodo láseres monomodo

en la fibra “dispersión”

DFB

DBR

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

WDM vs TDM

Multiplexación pordivisión en el tiempo

Multiplexación por división en longitudes de

onda

• DWDM: canales ITU-T• hasta 40 x 10 GHz

Sistema WDM completo

Emisores para WDM denso

•Ajustables por temperatura

•Ajustables eléctricamente

•Ajustados por fibra

• ( Modulación externa ) interferométrico electroabsorción

2

4

6

8

10

1999 2001 2003

año

Mile

s d

e eq

uip

os

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

Laseres de cavidad vertical

•Reflectores de Bragg GaAs/AlAs•Monomodo•Haz circular•Matrices 2D•Acoplamiento a fibra•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)

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

•Receptores: FO, control remoto

•Lectores: CD - DVD - código de barras

•Sensores: presencia, composición

•Monitores: control de láseres

•Cámaras: vídeo, visión nocturna

TIPOS

fotoeléctricos

térmicos

dispositivos de vacío

semiconductores

fotoconductores

fotodiodos

Fotodetectores

cámaras

Células fotovoltaicas Fotodiodos

+ -Vph

iph

Como batería... Como detector: ip

Fotodiodos (PDs)

Optimizar: señal / ruido (ip, i0 )rapidezlinealidad

Fotogeneración en una unión PN

ZCE: G arrastre n : G difusión arrastre p : G difusión arrastre recomb.

x

Popt (1-R)

P(x) = Popt(1-R)e-x

G(x) = ·P(x)/A

I(V;) = I(V;0) - Iph

Modo Fotoconductivo Modo Fotovoltaico

Polarización inversa

Características I(V) de los PDs

FotoconductorI

V=0

>0

i = i0(exp(V/nVT)-1) - iph

v=0 i = - iph Popt

i = - (i0 + iph)

i=0 v vT·ln(iph/i0)

Respuesta espectral de los PDs

• S(A/W) ·• directos vs. indirectos

• límite cortas

• visible: 0.4-0.7 m

FO: 1.3, 1.55m

Nd:YAG: 1.064 m

IR térmico: 3 - 5 , 8 -14 m

GaInAs

GaAs-IRED:0.9mSi

otros: InAs, HgCdTe...

Fotodiodos de silicio

Ej: PD Epitaxial

Aplicaciones

Medición de luz Fotometría Espectrometría Control de láseres

Recepción o lectura de datos o señal Lectores de CD y DVD Buses ópticos Redes locales Control remoto y comunicación IR Lectores de código de barras OptoacopladoresSensores Proximidad Composiciones Detección remota Interferométricos En guía de onda

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 + PD = 850 - 900 nm

trise < 80 nsP = 0.4 -1250 W/cm2

d 2 m . BER = 10-4

Fotodiodos para comunicación

sólo arrastre rapidez

« fuera de la ZCE

(iluminación por detrás)

no recomb. superficial

OJO: ajuste parámetros de red

GaInAs/InP

Rango: 0.9 - 1.7 m

Receptores de GaInAs: optimización de la f3dB

*= 1- exp(-W)

W < 0.35·v / f3dB

A < 0.16·W / (·RL·f3dB)tiempo de carga

= RLC

tiempo de tránsito = v·W

Tecnología de hibridación

Convencional

Tecnología flip-chip:

• C y L parásitas

• iluminación por detrás

• area libre

Receptor para comunicación por fibra óptica

• PIN de GaInAs/InP

• IC Preamplificador

de GaAs + Si-IC

• flip-chip

tamaño, consumo

fiabilidad

• Acoplo a fibra

• SONET OC-48

(2488.32 MHz)

•Multiplicación por avalancha

• Ganancia exp (- e W)

e(campo eléctrico)

Fotodiodos de avalancha

Estructuras SAM

Receptores: GaInAs/InP PDs

Aplicaciones de baja señal

G · (señal) PD

G·M·(ruido)PD

___________________________________

+ (ruido)CIRC

SNR=

Fotodiodos en guía de ondas

Ventaja: disociar y posible: ·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:

=1.55 m f3dB=45 GHz=0.22 A/W (1998)

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

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

Cámaras para el IR térmico

• 3-6 , 8-12 m• nocturna• Mapas de temperatura• “NET”• refrigeración

Cámaras para el IR térmico

Camaras micromecanizadas

• Microbolometros

• Deflexion

Sin refrigerar

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...

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