Mapa de los diodos láser

Presentación del tema: "Mapa de los diodos láser"— Transcripción de la presentación:

1 Mapa de los diodos láser
LDs de propósito general (de baja y media Po) 6.1 LDs NIR ( nm) de baja y media Po (AlGaAs) 6.2 LDs rojos (AlGaInP) 6.3 LDs violeta y azules (nitruros) LDs de altas prestaciones para FO (monomodo, GaInAsP) 6.4 LDs emisores para 2ª y 3ª ventana 6.5 LDs para WDM: estabilización de  6.6 LDs de alta potencia (AlGaAs y GaInAsP) 6.7 LDs de cavidad vertical: VCSELs (AlGaAs)

2 Encapsulado de propósito general
Structure of complete standard  9 mm laser diode device

3 MOTIVACIÓN: Los más sencillos
6.1 LDs de AlGaAs de baja (y media) potencia MOTIVACIÓN: Los más sencillos GaAs: directo y sustratos comerc. (g=880 nm,NIR) AlGaAs: a≈aGaAs y Eg>Eg,GaAs  < 880nm (NIR) para Z.A. de AlGaAs. Típ.:785nm CDs  =880nm para zona activa de GaAs. ( > 880nm para zona activa de GaInAs, tensado) no visible Estructura: DH o SC o QW Conf. lateral: ganancia (más sencillo) o índice (menor Ith y mejor haz) Cavidad: Fabry-Perot  multimodo Popt,máx: Normalmente 5 < Popt < 100 mW V ≈ Eg,cladding/q ó 0.4 V. Típ.: 1.5V rs 1  buffer Eg(eV) z sustrato cladding guía de ondas zona activa para contacto AlGaAs-n(+) AlGaAs-p(+) AlGaAs-p o i AlGaAs-n o i (Al)GaAs -i GaAs -p+ GaAs-n GaAs-n+ 1.42 ESTRUCTURA de CAPAS Ej.: SC-LD o QW-LD con zona activa de AlGaAs APLICACIONES Lectores y grabadores de CDs Popt velocidad de grabación Impresoras láser Popt velocidad de impresión Comunicación por FO local : mucha atenuación y dispersión pero fácilmente fc  GHz Otras (instrumentación, sensores, ratones ópticos, comunicación óptica en espacio abierto, etc.)

4 Ejemplo de LD de AlGaAs de baja Popt
RLD78MA Ver también problemas 6.2 y 6.A1

5 LDs de AlGaAs: ilustración de aplicaciones
Lectores/grabadores de CDs 785 nm (NIR) P ≈ 5 mW (para lectura) Control en potencia (lazo cerrado) LD + PDmonitor + óptica + PDs,lect Impresoras láser

6 MOTIVACIÓN: visible y  corta
6.2 LDs rojos (de AlGaInP) MOTIVACIÓN: visible y  corta GaInP con a≈aGaAs: directo y g ≈ 670 nm (rojo) AlGaInP con a≈aGaAs: Z.A. con 670 nm > g > 630 nm ηv(630nm) < ηv(670nm) directo para 670 nm > g > 580 nm  pero barreras muy pequeñas para g < 630 nm: casi tipo II (ver problema 1.13)  Ith, To, Popt,máx peores para  → 630 nm  Estructura: QW o MQW (a veces tensado) para disminuir Ith Conf. lateral: índice (o ganancia) Cavidad: Fabry-Perot  multimodo Popt,máx: Normalmente 3 < Popt < 50 mW Ith, To y Popt,máx peores para  → 630 nm V ≈ Eg,cladding/q V. Típ.: 1.8 V rs 1  buffer z sustrato cladding guía de ondas zona activa (Al)GaInP-QW para contacto AlGaInP-n(+) AlGaInP-p(+) AlGaInP-p o i AlGaInP-n o i GaAs -p+ GaAs-n GaAs-n+ ESTRUCTURA de CAPAS Ej.: QW-LD con emisión en 650 nm APLICACIONES Punteros láser Ojo: lo que importa es v , no Popt Lectores de codígos de barras Lectores y grabadores de DVDs rmin de enfoque   (limitado por difracción)  mejor 650 que 785 nm Popt velocidad de grabación Otras (instrumentación, sensores, etc.) 1.42 1.9 Eg(eV)

7 Ejemplo de LDs de AlGaInP
HL6501 Ver problemas 6.4 y 6.A2

8 LDs rojos: ilustración de aplicaciones
Punteros Lectores de códigos de barras Sensores Lectores/ grabadores de DVD Alineamiento

9 LDs rojos: ilustración de aplicaciones
Dic. 94 Sony y Philips anuncian el MM-DC En. 95 Toshiba y otros anuncianel SuperDensity Dic.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 1.5 650 nm, 5mW  Datos: x 7

10 6.3 LDs violeta y azules (AlGaInN)
MOTIVACIÓN:  corta (y h grande) Familia de los nitruros: GaN directo con g =365 nm (UV) GaInN: Eg <Eg,GaN , pero a>aGaN  Z.A., pero difícil  >450 nm AlGa(In)N: Eg>Eg,GaN  cladding Dificultades: Sustrato: a≠aGaN Sustrato de zafiro (aislante) o SiC estrategias para minimizar dislocaciones (ej.: crecimiento selectivo) Difícil: contactos, dopado, etc Estructura: QW o MQW tensado (en realidad “puntos cuánticos”) Estructura tipo mesa: los dos contactos por la misma cara Conf. lateral: índice o ganancia Cavidad: Fabry-Perot  multimodo (típ.)  400 nm (violeta) (365 <  < 470 nm; UV-azul) Prevalecen múltiple modos Popt,máx: 5 < Popt < 100 mW pero v(400nm)/v,máx   v muy pequeño To muy buena y Ith buena (para 400 nm) V ≈ Eg,cladding/q V 3.5 V rs 10  ; VF 4-5 V ½h y ½v pequeñas ( ) APLICACIONES Lectores y grabadores de discos ópticos (“blue ray”).  ≈ 405 nm Otros: instrumentación científica (h >3 eV)

11 Ejemplo de LDs de AlGaInN
DL-5146 Ver problemas 6.A4 y 6.A5

12 La fibra óptica Optica guiada n1>n2 Atenuación
Dispersión: modal y cromática “Ventanas para”:  = (0.9), 1.3 y 1.55 m Monomodo o multimodo

13 6.4 LDs emisores para 2ª y 3ª ventana (GaInAsP)
MOTIVACIÓN: comunicación por FO a alta velocidad y larga distancia  Atenuación: mínima en 1.55m (3ª ventana) (y pequeña en 1.3m, 2ª v.)  Dispersión: - modal ··················  fibras monomodo (núcleo muy estrecho, solo 1 modo) - espectral ················  - necesidad de  muy pequeña  LD monomodo - dc/d mínima para 1.3 m (2ª v.) (y pequeña en 3ª v.) LD: (1) en 1.3 o 1.55m, (2) monomodo, (3) acoplable a FO monomodo, (4) fc GHz’s (o con  GaInAsP/InP  DFB oDBR  buen haz (conf. Por índice) modulación externa) en la FO ESTRUCTURA de CAPAS GaInAsP/InP QW-LD Estructura: QW o MQW (a veces tensado) para disminuir Ith Conf. lateral: por índice A veces con estrategias de micro-óptica (para mejor acoplamiento a FO monom.) Cavidad: DFB (o DBR)  monomodo =  muy pequeño en cw (pero armónicos al modular) Popt,máx: Normalmente 3 < Popt < 100 mW V ≈ Eg,InP/q o 0.4 V 1 V fc 1 – 10 GHz minimizar RC (RL, rs , Cparas, el área…) IF  fc otra posibilidad: modulación externa z para contacto GaInAs -p+ cladding InP-p(+) guía de ondas GaInAsP-p o i zona activa GaInAs(P)-QW GaInAsP- n o i guía de ondas cladding y buffer InP-n(+) sustrato InP-n+ 0.8 o 0.95 1.35 Eg(eV)

14 Cavidades monomodo (DFB, DBR u otras)
Emisores para fibra óptica Aspectos sobre la cavidad óptica Inserción en fibra alineamiento acoplamiento estrategias de micro-óptica Cavidades monomodo (DFB, DBR u otras) DFB DBR

15 LD encapsulados y transmisores para FO
butterfly LD encapsulados y transmisores para FO coaxial 14 pin DIL

16 6.5 LDs para WDM: estabilización de 
MOTIVACIÓN: WDM WDM =multiplexación en . (DWDM = WDM denso) N canales físicos c en la FO, con c=1-N. (4≤N≤40). 3ª ventana Espaciado: c+1-c = 100 GHz (o 50 GHz)  c-c+1 ≈ 0.8nm (o 0.4 nm) Ventajas: • Aumenta la capacidad de la FO existente • Un solo amplificador óptico para varios canales Requisitos(además de los de 6.4): m muy estable m ajustable a c Causas de variación de  Soluciones Aparición de armónicos Ninguna  determina el mínimo espaciado de  para una f dada Variación de T controlar T (o mejor ) en lazo cerrado Envejecimiento controlar  en lazo cerrado Variación del nef de la cavidad con n(t)  “chirp” LD en cw + modulador (LD con BR externo) Tb. facilitan la estabilización de T  = (2/co) · Aparición de armónicos: Ej: 10 Gb/s  f1=5 GHz  1os armónicos en   f1  1=10 GHz , y 5=50 GHz (5º arm.) Variación de  con T:  = (dm/dT) ·T ≈ 0.09nm/ºC Necesidad de estabilizar T Válido para centrar  en c A veces válido para cambiar de canal. (Cuidado: Ith(T) con forma de U).

17 Estabilización de : soluciones
Ajustar/estabilizar T en lazo cerrado: medir T con un termistor: R(T) cambiar T con un TEC: T(ITEC) Ajustar/estabilizar  en lazo cerrado: medir  con el PDmonitor (PPD) y un PD con un filtro (WPD): IWPD/IPPD=Tfiltro() cambiar  con el TEC: m(T) y T(ITEC) (o cambiando eléctricamente el nef de los reflectores del DBR) Moduladores electro-ópticos de electroabsorción (EAM), monolítico - basados en QW: Egef()  α(VR) Interferométricos, externos (evitar retorno de Popt al LD) LD con control de T en lazo cerrado para ajuste en c (Prob. 6.6) LD en cw con control de  en lazo cerrado mediante cambio de T con ajuate a 4 canales (Prob. 6.A10) LD con EAM (Prob. 6.A7)

18 6.6 LDs de alta potencia Bombeo de amplificadores ópticos para FO (EDFAs) Aplicaciones con requerimiento de  Bombeo de láseres de estado sólido . Aplicaciones sin requerimiento de  Ej.: soldadura

19 Amplificadores ópticos
Amplificadores opticos Fibra óptica dopada con erbio (EDF) Comunicación óptica a larga distancia  atenuación  necesidad de amplificadores O/E E/O óptico eléctrico A Repetidores eléctricos Retardos Ruido de conversión D 75Km óptico A Amplificadores ópticos EDFA: ganancia en 1.55 m Alta ganancia Rapidez Bajo ruido BOMBEO Bombeo con láser 980 nm o 1480 nm

20 Bombeo de láseres de estado sólido (SSL)
SSLs. Ej.: Nd-YAG Aislante  bombeo óptico Niveles (no bandas)   pequeña Para Nd-YAG : λpump = 808 nm , λláser=1064 nm Mejor calidad del haz que los LDs Punteros verdes: 532 nm, mW batería + circuito con control en Popt LD de potencia (808 nm) láser de Nd-YAG (1064 nm) doblador de frecuencia óptica de acondicionamiento

21 Láseres de muy alta potencia “arrays” y “stacks”
¿ 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” ¿ Qué hay que optimizar ? Estructura (QW tensados, rs«,.. ) Fiabilidad (recubrir los espejos) Disipación térmica LASER-DIODE ARRAY LD bars water tubes

22 6.6 LDs de alta potencia Requerimientos Alta Popt  área grande
Alta P  baja Jth , alta d , baja rs Fiabilidad para IF y Popt grandes tecnología robusta evitar autocalentamiento Materiales: 808 nm: AlGaAs, con ZA de AlGaAs (o AlGaInAs) 980 nm: AlGaAs, con ZA de GaInAs 1480 nm: GaInAsP Estructura de capas: QW o MQW, con frecuencia tensado Esquemas semejantes a los de 6.1 y 6.3 Aplicación Requerimientos específicos Bombeo de EDFAs pump = 980 nm o 1480 nm Acoplable a FO monomodo Estable en  conf. por índice DBR o con BR en la fibra TEC Bombeo de láseres de estado sólido. (ej. Nd-YAG, = 1064 nm) pump = 808 nm (para Nd-YAG) a veces “arrays” o “stacks” a veces modos transversales superiores FP y múltiples modos long.:  grande conf. por ganancia Baja Rth,JA . A veces, refrigeración Aplicaciones de “potencia bruta”

23 6.7 Láseres de cavidad vertical con emisión por superficie (VCSELs)
Reflectores de Bragg GaAs/AlAs Monomodo Haz circular Matrices 2D Acoplamiento a fibra Po  mW; Ith  mA Buses opticos en 1a v.

24 Laseres de cavidad vertical:
Ejemplos (1995) array de VCSELs  = 850 nm mW 200 Mbit/s 10 x 2 canales 4 Gbit/s dmax = 300 m array de PDs BER > 10E-14

25 Laseres de cavidad vertical:
Ejemplos (1995) array de VCSELs  = 850 nm mW 200 Mbit/s 10 x 2 canales 4 Gbit/s dmax = 300 m array de PDs BER > 10E-14

26 Laseres de cavidad vertical
Ejemplos Transceptor para 10Gb Ethernet en 850 nm VCSEL (emisor) + fotodiodo PIN (receptor)

27 850-nm, 10-Gbit/s, directly modulated, VCSEL
Laseres de cavidad vertical Ejemplos 850-nm, 10-Gbit/s, directly modulated, VCSEL Typical: 820 µW ,fc= 7.5 GHz, tr=55 ps low-cost, very short reach (<300m) high-speed interconnects