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OPTOELECTRÓNICA: Logros y perspectivas
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¿ Por qué OPTO...? POSIBILIDADES DE LA LUZ Generación fotovoltaica
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 m Detección a distancia Variedad de Energía solar Inmune a perturbaciones Formación de imágenes Modificación de materiales Interacción selectiva
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Longitudes de onda de interés
sensores y procesado IR térmico visible comunicación 0.4 0.7 1.6 (m) UV NIR MIR h (eV) 3 1.6 0.8 GaP SiC GaAs Si Ge Eg (eV) Visible y NIR Eg de los semiconductores
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Semiconductores ¿ Por qué ...electrónica ? Prestaciones: Aplicaciónes:
interacción con la luz Generación e- h detección Recombinación emisión BC electrón hueco + - h BC electrón - fotón h >Eg Eg Eg fotón h =Eg hueco + BV BV I ¿ Por qué ...electrónica ? Prestaciones: Bajo coste Rapidez eléctrica Bajo consumo Pequeño tamaño Fiabilidad “electrónicas” o específicas Aplicaciónes:
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Guión Qué semiconductores utilizamos Motivación Introducción
Los diodos láser y sus aplicaciones Los LED: los emisores más sencillos Cámaras digitales Fotodetectores: receptores, lectores y sensores Perspectivas y conclusiones
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Absorción banda a banda
Para h > Eg absorcion de la luz atenuación : (x) = (0)·exp(-x) = coef. de absorción; L = 1/ semicond. directos semicond. indirectos 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
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Emisión de luz ¿Qué semiconductor ? directo Eg h ’s intermedia?
semiconductores directos semiconductores indirectos Recomb. radiativa probable posible emisión Recomb. no radiativa no emisión semic. Eg (eV) III-V IV ¿Qué semiconductor ? directo Eg h ’s intermedia? evitar R no radiativa semic. III-V (difícil para «) un semic. para cada aleaciones buena calidad
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Diodos emisores de luz (LEDs) Los emisores más sencillos
Inyección de corriente Recombinacion (b-b o d-b) Popt = · IF Características: ej.: GaAs VF ~ 1.2 V kT ~ 30 nm Para b-b, ~ g m f ~ 1/ < 100 MHz Alta fiabilidad
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LED de visible Difícil : grande y corta Deseable para:
visibilidad colores Difícil : grande y corta Deseable para: Respuesta visual:
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LED de visible material tipo substr. color GaAs D GaAsP D
IR Lm/W 100 AlGaInP D GaAsP D GaP: ZnO I+ imp GaInN D+imp GaP: N I+ imp 10 AlGaAs D GaAsP: N I+ imp 1 GaInN D+imp& blanco 70 80 90 año
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Aplicaciones de los LED de visible
Coste de operación instalación 3 - 5 años tiempo LED incandescente
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LED de infrarrojo (IRED)
GaAs: 0.95 m 1 MHz AlxGa1-xAs/GaAs: 0.85 m 100 MHz GaInAsP/InP: com.ópticas 100 MHz GaAs AlGaAs Ec Ev
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Introducción Los LED: los emisores más sencillos Los diodos láser y sus aplicaciones IR cercano: CDs y láseres de potencia Visible: DVDs y láseres de nitruros Comunicación por fibra óptica WDM: multiplicando la capacidad de la fibra Micro-óptica y laseres de cavidad vertical Fotodetectores Cámaras digitales Perspectivas y conclusiones
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Qué es un láser Emisión estimulada amplificación de luz coherencia
t < t espontaneo coherencia Realimentación óptica cavidad resonante inyección umbral BC electrón E2 h Fotón h = E2-E1 Inversión de población absorcion < em. estim. requiere bombear electrones E1 BV
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Diodos láser Funcionamiento Corriente umbral Eficiencia Potencia
Rapidez “Monocromáticidad” Estabilidad Fiabilidad
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Diodos láser Estructura “Cladding” p+ , n+ inyeccion confinar luz
Guia de ondas (n1 > n2) realimentación confina e-h Zona activa QW (tensado) amplificación espejos
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Mapa de los diodos láser
nm baja potencia (AlGaAs) nm alta potencia (AlGaAs) nm baja potencia (visible) 1.3 y 1.55 m altas prestaciones (GaInAs) Láseres de cavidad vertical (AlGaAs)
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Láseres de AlGaAs Lectores de CD 780 nm (rojo-IR) P=5 mW
Control en potencia IF(normal)= mA IF(defectuoso)= 100 mA LD+PDmon + óptica+ PDslect
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Láseres de AlGaAs potencia moderada Laser printer
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Alta potencia: “arrays” y “stacks”
Láseres de AlGaAs 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
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Aplicaciones de diodos láser de alta potencia
Bombeo de láseres de estado sólido Aplicaciones industriales
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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 )
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Diodos láser de visible
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Diodos láser de visible
DVD De donde viene el aumento? Puntos: x 4.5 (2.12) ( x 1.5 ) Datos/puntos: x 1.5 Datos: x 7 650 nm, 5mW 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
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Láseres violeta: GaN instrumentación científica
nuevos DVD ? APLICACIONES Nakamura et al. (1996, 1999) p Ptip Ith VF 0.4 m 5 mW 45 mA 5V Dificultades tecnológicas
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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
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Emisores para fibra óptica
Minimizar atenuacion Minimizar dispersion Rapidez Eficiencia Fiabilidad Acoplamiento a fibra
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Emisores para fibra óptica
Respuesta en frecuencia > 10 GHz eliminar RC parásitas IF f3dB Inserción en fibra alineamiento acoplamiento estrategias de micro-óptica
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Emisores para fibra óptica
Láseres monomodo Comunicación óptica a larga distancia modal Fibras monomodo “dispersión” en la fibra espectral láseres monomodo DFB DBR
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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
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WDM vs TDM Multiplexación por división en el tiempo
Multiplexación por división en longitudes de onda DWDM: canales ITU-T hasta 40 x 10 GHz
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Sistema WDM completo
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Emisores para WDM denso
Ajustables por temperatura Ajustables eléctricamente Ajustados por fibra ( Modulación externa ) interferométrico electroabsorción
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WDM en cifras WDM en 1999 WDM en 2003 Evolución del WDM SONET/SDH WDM
EEUU y Canadá 83% Europa occidental 13% Asia y Pacífico 4% Resto del mundo 0% Evolución del WDM EEUU y Canadá 59% Europa occidental 23% Asia y Pacífico 13% Resto del mundo 5% 2 4 6 8 10 1999 2001 2003 año Miles de equipos SONET/SDH WDM Larga distancia 91% Corta 7% Empresas 2% Larga distancia 65% Corta 30% Empresas 5%
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Laseres de cavidad vertical
Reflectores de Bragg GaAs/AlAs Monomodo Haz circular Matrices 2D Acoplamiento a fibra Buses opticos en 1a v.
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(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
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Introducción Los LED: los emisores más sencillos Los diodos láser y sus aplicaciones Fotodetectores Fotodidodos de Si: IrDA, sensores y otros Receptores para fibra óptica Cámaras digitales Perspectivas y conclusiones
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Fotodetectores Receptores: FO, control remoto
Lectores: CD - DVD - código de barras Sensores: presencia, composición Monitores: control de láseres Cámaras: vídeo, visión nocturna dispositivos de vacío fotoeléctricos fotoconductores semiconductores TIPOS fotodiodos térmicos cámaras
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Fotodiodos (PDs) Vph + - iph Células fotovoltaicas Fotodiodos
Como batería... Como detector: ip Células fotovoltaicas Fotodiodos Optimizar: señal / ruido (ip, i0 ) rapidez linealidad
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Fotogeneración en una unión PN
Popt (1-R) P(x) = Popt(1-R)e-x G(x) = ·P(x)/A ZCE: G arrastre n : G difusión arrastre p : G difusión arrastre recomb. x I(V;) = I(V;0) - Iph
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Características I(V) de los PDs
i = i0(exp(V/nVT)-1) - iph Modo Fotoconductivo Modo Fotovoltaico v=0 i = - iph Popt i=0 v vT·ln(iph/i0) Polarización inversa Fotoconductor I V =0 >0 i = - (i0 + iph)
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Respuesta espectral de los PDs
S(A/W) · directos vs. indirectos límite cortas visible: m GaAs-IRED:0.9m Si Nd:YAG: m FO: 1.3, 1.55m GaInAs IR térmico: , m otros: InAs, HgCdTe...
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Fotodiodos de silicio Ej: PD Epitaxial
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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 Optoacopladores Sensores Proximidad Composiciones Detección remota Interferométricos En guía de onda
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Comunicación IR: protocolos IrDA
LED + PD = nm trise < 80 ns P = W/cm2 d 2 m . BER = 10-4 Kb/s (IrDA1.0), y hasta 4Mb/s (IrDA1.1) Hasta 8 “periféricos” Bajo coste. Bajo consumo. Bidireccional
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Fotodiodos para comunicación
GaInAs/InP Rango: m « fuera de la ZCE sólo arrastre rapidez no recomb. superficial (iluminación por detrás) OJO: ajuste parámetros de red
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Receptores de GaInAs: optimización de la f3dB
tiempo de tránsito = v·W *= 1- exp(-W) W < 0.35·v / f3dB A < 0.16·W / (·RL·f3dB) tiempo de carga = RLC
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Tecnología de hibridación
Convencional Tecnología flip-chip: C y L parásitas iluminación por detrás area libre
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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 ( MHz)
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Fotodiodos de avalancha
Multiplicación por avalancha Ganancia exp (- e W) e(campo eléctrico) G · (señal) PD G·M·(ruido)PD ___________________________________ + (ruido)CIRC SNR= Estructuras SAM Receptores: GaInAs/InP PDs Aplicaciones de baja señal
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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)
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Introducción Los LED: los emisores más sencillos Los diodos láser y sus aplicaciones Fotodetectores Cámaras digitales CCD y CMOS Cámaras para IR térmico Perspectivas y conclusiones
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Cámaras CMOS Cámaras CMOS con convertidores A/D
en cada pixel (Kodad, Canon, HP & Intel, 1998) Tecnología 0.35 um pixels 9um x 9um y 25% “fill factor” ventajas: menor ruido, menor consumo, simplificación del diseño y fácil escalabilidad
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Cámaras para el IR térmico
nocturna Mapas de temperatura “NET” refrigeración
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Cámaras para el IR térmico
Camaras micromecanizadas Microbolometros Deflexion Sin refrigerar
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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...
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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
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