OPTOELECTRÓNICA Logros y perspectivas Por qué

OPTOELECTRÓNICA: Logros y perspectivas

¿ Por qué OPTO. . . ? POSIBILIDADES DE LA LUZ APLICACIONES Rapidez ( 3· 108 m/s ) • • Comunicación óptica Inmune a perturbaciones • • Almacenamiento óptico Detección a distancia • • Vídeo y fotografía Posibilidad de enfoque • • Visualizadores Formación de imágenes • • Instrumentación y control Visible para 0. 4 - 0. 7 m • • Investigación Variedad de • • Visión nocturna Interacción selectiva • • Sensores Modificación de materiales • Energía solar • • Procesado, impresión, … • Generación fotovoltaica

Longitudes de onda de interés sensores y procesado visible comunicación 0. 4 0. 7 UV 1. 6 NIR 3 1. 6 Si. C Ga. P Ga. As Si IR térmico ( m) MIR 0. 8 Ge h (e. V) Eg (e. V) Visible y NIR Eg de los semiconductores

Semiconductores interacción con la luz Generación e- h detección - electrón BC fotón h >Eg BV h Eg hueco + Recombinación emisión BC - electrón fotón Eg h =Eg BV hueco + I ¿ Por qué. . . electrónica ? • Bajo coste Prestaciones: • Pequeño tamaño • Rapidez eléctrica • Fiabilidad • Bajo consumo Aplicaciónes: “electrónicas” o específicas

Guión Motivación Introducción Qué semiconductores utilizamos Los LED: los emisores más sencillos Los diodos láser y sus aplicaciones Fotodetectores: receptores, lectores y sensores Cámaras digitales 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 muy probable (L 1 m) semicond. indirectos poco probable (L 100 m) • El silicio vale para < 1. 1 m • Lo importante es que <1. 24/Eg • Para 1. 3 y 1. 55 m: Ge o Ga. In. As • …Pero en ambos casos ocurre

Emisión de luz semiconductores directos semiconductores indirectos Recomb. radiativa probable posible emisión Recomb. no radiativa no emisión semic. IV III-V Eg (e. V) ¿Qué semiconductor ? • directo semic. III-V (difícil para «) un semic. para cada • Eg h • ’s intermedia? aleaciones • evitar R no radiativa buena calidad

Diodos emisores de luz (LEDs) Los emisores más sencillos • Inyección de corriente • Recombinacion (b-b o d-b) • Popt = · IF Características: VF k. T Para b-b, ~ g f ~ 1/ Alta fiabilidad ej. : Ga. As ~ 1. 2 V ~ 30 nm 0. 9 m < 100 MHz

LED de visible • Difícil : grande y corta • Deseable para: visibilidad colores • Respuesta visual:

LED de visible material Ga. As. P Ga. P: Zn. O Ga. P: N Ga. As. P: N Al. Ga. As Al. Ga. In. P Ga. In. N tipo D D I+ imp D D D+imp& substr. color IR Lm/W 100 10 1 blanco 70 80 año 90

Aplicaciones de los LED de visible Coste de operación incandescente instalación LED 3 - 5 años tiempo

LED de infrarrojo (IRED) • Ga. As: 0. 95 m 1 MHz • Alx. Ga 1 -x. As/Ga. As: 0. 85 m 100 MHz • Ga. In. As. P/In. P: com. ópticas 100 MHz Ec Ev Al. Ga. As

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 Inversión de población absorcion < em. estim. requiere bombear electrones Realimentación óptica cavidad resonante inyección umbral E 2 Fotón h = E 2 -E 1 BC electrón h h E 1 BV

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

Diodos láser Estructura “Cladding” p+ , n+ • inyeccion • confinar luz Guia de ondas (n 1 > n 2) • realimentación • confina e-h Zona activa QW (tensado) • amplificación espejos

Mapa de los diodos láser 750 - 980 nm baja potencia (Al. Ga. As) 750 - 980 nm alta potencia (Al. Ga. As) 630 - 670 nm baja potencia (visible) 1. 3 y 1. 55 m altas prestaciones (Ga. In. As) Láseres de cavidad vertical (Al. Ga. As)

Láseres de Al. Ga. As Lectores de CD 780 nm (rojo-IR) P=5 m. W Control en potencia IF(normal)= 50 -60 m. A IF(defectuoso)= 100 m. A LD+PDmon + óptica+ PDslect

Láseres de Al. Ga. As potencia moderada Laser printer

Láseres de Al. Ga. As Alta potencia: “arrays” y “stacks” ¿ Cuánta Popt pueden dar ? < 1 W cw a fibra 1 mod < 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

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

Diodos láser de visible Interés: Materiales: Color: Aplicación: visible, menor Ga. In. P 670 nm Al. Ga. In. P 630 nm rojo V 630 nm > V 670 nm 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 ) Dic. 94 Sony y Philips anuncian el MM-DC Datos/puntos: x 1. 5 En. 95 Toshiba y otros anuncianel Super. Density 650 nm, 5 m. W Datos: x 7 DVD (Digital Versatil Disk) Dic. 95 acuerdo: 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 5 Mb/s

Láseres violeta: Ga. N APLICACIONES Dificultades tecnológicas • instrumentación científica • Nakamura et al. (1996, 1999) nuevos DVD ? p Ptip Ith VF 0. 4 m 5 m. W 45 m. A 5 V

La fibra óptica • Optica guiada n 1>n 2 • Monomodo o multimodo • Dispersión • Atenuación • 1 a ventana: 0. 9 m • 2 a ventana: 1. 3 m • 3 a 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 f 3 d. B Inserción en fibra • alineamiento • acoplamiento • estrategias de micro-óptica

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

Amplificadores opticos Fibra óptica dopada con erbio (EDF) • Comunicación óptica a larga distancia atenuación necesidad de amplificadores Repetidores eléctricos óptico Amplificadores ópticos EDFA: ganancia en 1. 55 m O/E óptico eléctrico A E/O óptico A BOMBEO Retardos Ruido de conversión D 75 Km Alta ganancia Rapidez Bajo ruido 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 Asia y Pacífico 4% Resto del Europa mundo occidental 0% 13% 8 6 Resto del mundo 5% Asia y Pacífico 13% 10 Miles de equipos Empresas 2% Corta distancia 7% EEUU y Canadá 83% Evolución del WDM SONET/SDH Europa occidental 23% WDM 4 EEUU y Canadá 59% 2 Empresas 5% 1999 2001 año Larga distancia 91% 2003 Corta distancia 30% Larga distancia 65%

Laseres de cavidad vertical • Reflectores de Bragg Ga. As/Al. As • Monomodo • Haz circular • Matrices 2 D • Acoplamiento a fibra • Buses opticos en 1 a v.

(1995) array de VCSELs = 850 nm 0. 8 m. W 200 Mbit/s 10 x 2 canales 4 Gbit/s dmax = 300 m array de PDs BER > 10 E-14

Introducción Los LED: los emisores más sencillos Los diodos láser y sus aplicaciones Fotodetectores Fotodidodos de Si: Ir. DA, 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 fotoconductores fotoeléctricos semiconductores TIPOS fotodiodos térmicos cámaras

Fotodiodos (PDs) Vph + - iph Como detector: ip Como batería. . . Células fotovoltaicas Optimizar: Fotodiodos señal / ruido ( ip, i 0 ) rapidez linealidad

Fotogeneración en una unión PN Popt (1 -R) P(x) = Popt(1 -R)e- x G(x) = ·P(x)/A ZCE: G n: G x p: G arrastre difusión I(V; ) = I(V; 0) - Iph arrastre recomb.

Características I(V) de los PDs i = i 0(exp(V/n. VT)-1) - iph Modo Fotoconductivo Modo Fotovoltaico v=0 i = - iph Popt i=0 v v. T·ln(iph/i 0) Polarización inversa Fotoconductor I V =0 i = - (i 0 + iph) >0

Respuesta espectral de los PDs • S(A/W) · • directos vs. indirectos • límite cortas • visible: 0. 4 -0. 7 m Ga. As-IRED: 0. 9 m Si Nd: YAG: 1. 064 m FO: 1. 3, 1. 55 m Ga. In. As IR térmico: 3 - 5 , 8 -14 m otros: In. As, Hg. Cd. Te. . .

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 Ir. DA LED + PD = 850 - 900 nm trise < 80 ns P = 0. 4 -1250 W/cm 2 d 2 m. BER = 10 -4 • 9600 -115 Kb/s (Ir. DA 1. 0), y hasta 4 Mb/s (Ir. DA 1. 1) • Hasta 8 “periféricos” • Bajo coste. Bajo consumo. Bidireccional

Fotodiodos para comunicación Ga. In. As/In. P 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 Ga. In. As: optimización de la f 3 d. B tiempo de tránsito = v·W tiempo de carga = R LC *= 1 - exp(- W) W < 0. 35·v / f 3 d. B A < 0. 16·W / ( ·RL·f 3 d. B)

Tecnología de hibridación Convencional Tecnología flip-chip: • C y L parásitas • iluminación por detrás • area libre

Receptor para comunicación por fibra óptica • PIN de Ga. In. As/In. P • IC Preamplificador de Ga. As + 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) SNR= G · (señal) PD __________________ G·M·(ruido)PD + (ruido)CIRC Estructuras SAM Receptores: Ga. In. As/In. P PDs Aplicaciones de baja señal

Fotodiodos en guía de ondas Ventaja: disociar y posible: ·f 3 d. B >20 GHz Dificultad : acoplar la luz Ejemplo: • Integración monolítica con guía de onda pasiva (guía de entrada) • Acoplamiento de campo evanescente a la guía activa =1. 55 m f 3 d. B=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 con convertidores A/D en cada pixel (Kodad, Canon, HP & Intel, 1998) Tecnología 0. 35 um pixels 9 um x 9 um y 25% “fill factor” ventajas: menor ruido, menor consumo, simplificación del diseño y fácil escalabilidad

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