OPTOELECTRÓNICA: Logros y perspectivas

¿ 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 0.4 - 0.7 m Detección a distancia Variedad de  Energía solar Inmune a perturbaciones Formación de imágenes Modificación de materiales Interacción selectiva

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

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:

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

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 1m) 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 ¿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

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 0.9m f ~ 1/ < 100 MHz Alta fiabilidad

LED de visible Difícil :  grande y  corta Deseable para:  visibilidad  colores Difícil :  grande y  corta Deseable para: Respuesta visual:

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

Aplicaciones de los LED de visible Coste de operación 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 GaAs AlGaAs Ec Ev

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

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

Diodos láser Funcionamiento Corriente umbral Eficiencia Potencia Rapidez “Monocromáticidad” Estabilidad Fiabilidad

Diodos láser Estructura “Cladding” p+ , n+ inyeccion confinar luz Guia de ondas (n1 > n2) realimentación confina e-h Zona activa QW (tensado) amplificación 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 AlGaAs Lectores 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

Láseres de AlGaAs potencia moderada Laser printer

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

Aplicaciones de diodos láser de alta potencia Bombeo de láseres de estado sólido 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 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

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

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 Respuesta en frecuencia > 10 GHz eliminar RC parásitas IF f3dB Inserción en fibra alineamiento acoplamiento estrategias de micro-óptica

Emisores para fibra óptica Láseres monomodo Comunicación óptica a larga distancia modal  Fibras monomodo  “dispersión” en la fibra espectral  láseres monomodo DFB DBR

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

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

Sistema WDM completo

Emisores para WDM denso Ajustables por temperatura Ajustables eléctricamente Ajustados por fibra ( Modulación externa ) interferométrico electroabsorción

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%

Laseres de cavidad vertical Reflectores de Bragg GaAs/AlAs Monomodo Haz circular Matrices 2D Acoplamiento a fibra Buses opticos en 1a v.

(1995) array de VCSELs  = 850 nm 0.8 mW 200 Mbit/s 10 x 2 canales 4 Gbit/s dmax = 300 m array de PDs BER > 10E-14

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

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

Fotodiodos (PDs) Vph + -   iph Células fotovoltaicas Fotodiodos Como batería... Como detector:   ip Células fotovoltaicas Fotodiodos Optimizar: señal / ruido (ip, i0 ) rapidez linealidad

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

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)

Respuesta espectral de los PDs S(A/W)  · directos vs. indirectos límite  cortas visible: 0.4-0.7 m GaAs-IRED:0.9m Si Nd:YAG: 1.064 m FO: 1.3, 1.55m  GaInAs IR térmico: 3 - 5 , 8 -14 m  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 Optoacopladores Sensores Proximidad Composiciones Detección remota Interferométricos En guía de onda

Comunicación IR: protocolos IrDA LED + PD  = 850 - 900 nm trise < 80 ns P = 0.4 -1250 W/cm2 d 2 m . BER = 10-4 9600-115 Kb/s (IrDA1.0), y hasta 4Mb/s (IrDA1.1) Hasta 8 “periféricos” Bajo coste. Bajo consumo. Bidireccional

Fotodiodos para comunicación GaInAs/InP Rango: 0.9 - 1.7 m « fuera de la ZCE sólo arrastre  rapidez no recomb. superficial (iluminación por detrás) OJO: ajuste parámetros de red

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

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)

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

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)

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

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

Cámaras para el IR térmico 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