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Mapa de los diodos láser

Mapa de los diodos láser. LDs de propósito general (de baja y media P o ) 6.1 LDs NIR (750 - 880 nm) de baja y media P o (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

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Mapa de los diodos láser

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Presentation Transcript

  1. Mapa de los diodos láser LDs de propósito general (de baja y media Po) 6.1 LDs NIR (750-880 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. Structure of complete standard  9 mm laser diode device Encapsulado de propósito general

  3. 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.:785nmCDs •  =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 - 0.3 ó 0.4 V. Típ.: 1.5V • rs1  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.) z para contacto GaAs -p+ AlGaAs-p(+) cladding guía de ondas AlGaAs-p o i zona activa (Al)GaAs -i AlGaAs-n o i guía de ondas cladding AlGaAs-n(+) GaAs-n buffer sustrato GaAs-n+ 1.42 Eg(eV)

  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. 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,máxpeores 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 - 0.4 V. Típ.: 1.8 V • rs1  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.) z para contacto GaAs -p+ AlGaInP-p(+) cladding guía de ondas AlGaInP-p o i zona activa (Al)GaInP-QW AlGaInP-n o i guía de ondas cladding AlGaInP-n(+) GaAs-n buffer sustrato GaAs-n+ 1.9 1.42 Eg(eV)

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

  8. LDs rojos: ilustración de aplicaciones Punteros Lectores decódigos de barras Sensores Lectores/grabadoresde DVD Alineamiento

  9. 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 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

  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 mWpero v(400nm)/v,máx 10-3 v muy pequeño • To muy buena y Ith buena (para 400 nm) • V ≈ Eg,cladding/q - 0.6 V 3.5 V • rs10  ; VF 4-5 V • ½h y ½v pequeñas ( ) • APLICACIONES • Lectores y grabadores de discos ópticos (“blueray”).  ≈ 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: 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 - 0.3 o 0.4 V 1 V • fc1 – 10 GHz • minimizar RC (RL, rs , Cparas, el área…) • IF  fc • otra posibilidad: modulación externa ESTRUCTURA de CAPAS GaInAsP/InP QW-LD 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 claddingy buffer InP-n(+) sustrato InP-n+ 1.35 0.8 o 0.95 Eg(eV)

  14. 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. 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 •  = (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 LD con control de T en lazo cerrado para ajuste en c(Prob. 6.6) • 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 eléctricamenteel nefde 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 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. óptico óptico eléctrico O/E A E/O óptico Alta ganancia Rapidez Bajo ruido Amplificadores ópticos A EDFA: ganancia en 1.55 m Bombeo con láser 980 nm o 1480 nm BOMBEO Amplificadores opticos Fibra óptica dopada con erbio (EDF) • Comunicación óptica a larga distancia •  atenuación  necesidad de amplificadores Repetidores eléctricos Retardos Ruido de conversión D 75Km

  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, 5-150 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. LASER-DIODE ARRAY water tubes LD bars 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

  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

  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. 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 Laseres de cavidad vertical: Ejemplos (1995)

  25. 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 Laseres de cavidad vertical: Ejemplos (1995)

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

  27. 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

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