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DPTO. ELECTRÓNICA, AUTOMÁTICA E INFORMÁTICA INDUSTRIAL OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 1 Tema 4 – Fotoemisores Tipos de emisores Emisión por excitación térmica Fotoluminiscencia Cadoluminiscencia Electroluminiscencia El diodo de emisión de luz (LED) Evolución histórica Características generales Procesos de recombinación (radiativa y no radiativa) Sistemas de materiales para el LED Funcionamiento del LED Estructuras de un LED Aplicaciones de LEDs El diodo Láser Emisión espontánea y estimulada La estructura del Láser: la cavidad óptica Descripción del funcionamiento de un Láser Características del Láser Tipos de Láser Aplicaciones del Láser OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 2 Emisores ¾Luminiscencia: emisión de luz por un sólido cuando recibe alguna forma de energía • Incandescencia: Se eleva la temperatura de un cuerpo sólido por encima de los 1.000 K. • Fotoluminiscencia: La radiación (fotones) es absorbida por alguna sustancia y reenviada con un cambio en su longitud de onda. – Fluorescencia: Las emisiones cesan tras el final de las radiaciones. – Fosforescencia: Las emisiones continúan tras el cese de las radiaciones. • Catodoluminiscencia: Algunos materiales (llamados "fósforos") emiten luz cuando se les bombardea con electrones (tubos de rayos catódicos). • Electroluminiscencia: Electroluminiscencia Se hace pasar una corriente eléctrica a través de algunos cuerpos sólidos. ¾Descarga en un gas: Se hace pasar una corriente eléctrica a través de un gas. ¾Quimioluminiscencia: Algunas reacciones químicas provocan la emisión de luz. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 3 Energía electrón, E Electrón libre Nivel de vacío 3s Banda E=0 2p Banda Energía de bandas solapadas bandas 3p 3s 2p 2s 1s ÁTOMO 2s Banda Electrones 1s SÓLIDO En un material las energías de las bandas solapadas dan como resultado una banda de energía única parcialmente completa de electrones. Hay estados con energías por encima del nivel de vacío dónde el electrón es libre. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 4 Fotoluminiscencia Patrón de energía de centros de luminiscencia E2 Emisión no radiativa E′2 hνex Emisión luminiscente, Excitación hνem E′1 E1 Emisión no radiativa , La absorción-excitación de luz por Fotoluminiscencia, produce emisión no radiativa y emisión de luz y retorno al estado E1. (Los niveles de energía han sido desplazados horizontalmente para mayor claridad) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 5 Ejemplo de Fósforos Fósforo Activador OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 Emisión útil Ejemplo excitación Comentario o aplicación 6 Requerimientos de una fuente óptica ¾ Compatibles con el acoplamiento de la luz en la fibra. Idealmente: altamente direccional ¾ Debe seguir exactamente a la señal eléctrica ¾ Longitud de onda coincidente o cercana a aquella donde la fibra tiene baja pérdida y dispersión ¾ Potencia debe sobrepasar todas las pérdidas del trayecto ¾ Espectro angosto para minimizar la dispersión ¾ Salida estable ¾ Económica OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 7 Electroluminiscencia de inyección Fuentes de luz ¾ Fuente de luz: convierte señal eléctrica en señal óptica ¾ Las longitudes de onda más utilizadas en telecomunicación son: • 850 nm (distancias cortas) • 1310 nm (No dispersión del material, Datacom/Telecom) • 1550 nm (fibras monomodo, Telecom) ¾ Dos tipos de fuentes ‘semiconductoras’ en la transmisión de fibra óptica (se pueden modular directamente) • LED (Light Emitting Diode) • LD (Laser Diode) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 8 Ventajas y desventajas del Led respecto del Láser Ventajas del Láser • Frecuencia de modulación más alta • Potencia óptica alta (LD: mW / LED:μW) • Acoplamiento de la fibra la fuente más eficiente • Ancho espectral más estrecho (luego menor dispersión cromática) Desventajas del Láser • Efecto láser comienza desde un corriente umbral (50mA): ‘drive current’ más alta • Electrónica más complicada • Más caro • Vida útil más corta (debido a las corrientes más altas) Generalmente, se utiliza Láser en telecomunicaciones, y LED en transmisión de datos (LAN) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 9 Semiconductor intrínseco Enlace covalente Núcleo del ión de Si Energía del electrón Ec+χ Banda de conducción (BC) Ningún electrón a 0K Ec Bandgap= E g Ev Banda de valencia (BV) Lleno de electrones a 0K 0 (a) (b) (a) Vista simplificada en dos dimensiones de un cristal de Si (b) Diagrama de bandas de energía de electrones en el cristal de Si a temperatura del cero absoluto OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 10 Generación par electrón-hueco Energía E del electrón E +χ c BC hυ > E g E c e libre e– Eg E v Hueco h+ hυ hueco e– BV 0 (a) (b) (a) Un fotón con enrgía mayor que Eg puede excitar a un electrón haciéndolo pasar de la BV a la BC (b) Cada línea representa un enlace entre átomos de Si. Cuando un fotón rompe el enlace Si-Si, se generan un electrón libre y un hueco OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 11 Semiconductor dopado con átomo donor (b) (a) Energía E del electrón CB + e– As Ec ~ 0.05 eV E d Ev As+ As+ As+ As+ x Distancia dentro del cristal Un átomo de As cada 106 átomos de Si a) De los cinco electrones del As, cuatro forman enlaces con átomos de Si y uno queda como electrón libre en la BC b) Diagrama de bandas de energía para un cristal de Si tipo n con 1 ppm de As. Se producen niveles de energía de donores justo de bajo de EC OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 12 Semiconductor dopado con átomo aceptador Energía E del electrón Un átomo de B cada 106 átomos de Si Distancia dentro x del cristal Ec + h B– – Ea Ev (a) – B B – B + – B ~0.05 eV h BV (b) a) Cristal de Si dopado con B, que sólo tiene tres electrones de valencia que formarán enlaces con átomos de Si y un enlace queda sin completar formado un hueco en la BV b) Diagrama de bandas de energía para un cristal de Si tipo p con 1 ppm de B. Se producen niveles de energía de aceptadores en la BV OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 13 Semiconductores intrínseco y extrínseco BC Ec EFi Ev Ec EFn Ec Ev E Fp Ev BV (a) (b) (c) Diagrama de bandas de energía para un semiconductor a) intrínseco b)extrínseco tipo n y c) extrínseco tipo p En todos los casos n p = ni2 No se muestran los niveles de energía de donores y aceptadores OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 14 Luminiscencia no característica. Procesos de generación y recombinación electrón-hueco en materiales de luminiscencia no característica. EC Ed b) a) c) d) Ea Ev a) b) c) d) Las parejas electrón hueco generadas por absorción de fotón, Los huecos son rápidamente atrapados en la zona aceptora Antes de que tenga lugar la recombinación, el electrón puede pasar algún tiempo atrapado en la zona donadora Finalmente, los electrones pueden recombinarse con estos huecos atrapados, dando lugar a emisión luminiscente OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 15 Emisión luminiscente Termalización Eg Luminiscencia de centros activos BC D R Trampas hυ < Eg A h υ > Eg Et E c R Ev Recombinación a BV b c d a) Fotoluminiscencia, b) y c) Luminiscencia característica d) Luminiscencia no característica OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 16 Construcción de un dispositivo electroluminiscente en corriente alterna y contínua Cubierta de cristal a) Electrodo transparente generalmente Sn O2 Partículas de fósforo en un medio no conductor Electrodo de metal b) Ánodo transparente Superficie doblada de cobre ZnS:Cu2 Mn Cátodo Cubierta de Cu2S a) Partículas de fósforo suspendidas en un medio aislante transparente entre medias de dos electrodos, uno de ellos transparente. Cuando se aplica una tensión alterna a los electrodos las partículas de fósforo emiten luz. b) Dispositivo electroluminiscente de corriente continua. Las partículas de fósforo tienen un revestimiento de CuxS. EnTema condiciones normales se emite luz sólo de las partículas libres de CuxS. 17 OPTOELECTRÓNICA-ELAI 4 Mecanismo de emisión luminiscente Fotón Energía del electrón EC EC Ev Ev Distancia a) a) b) b) Un electrón en un estado aceptor cruzan a través de la zona prohibida hacia estados de la misma energía. Sólo es capaz de hacer esto si hay presente un elevado campo eléctrico, provocando que la energía de banda se incline. Un electrón en la banda de conducción ahora cae en el nivel vacante provocando emisión radiativa OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 18 Mecanismo de emisión luminiscente Fotón Energía del electrón EC Ev EC Ev EC Ev Distancia Posible mecanismo de emisión luminiscente mediante proceso de avalancha. a) Un electrón que se mueva por la presencia de un campo eléctrico intenso puede adquirir suficiente energía como para excitar un electrón de la banda de valencia a la de conducción. b) El hueco que queda libre se traslada a un estado aceptor, liberándose de un electrón c) Finalmente, un electrón de la banda de conducción puede hacer una transferencia radiativa hacia el nivel aceptor vacío OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 19 Luminancias típicas obtenidas en dispositivos electroluminiscentes Luminancia (lux) d.c. a.c. Tensión aplicada (V) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 20 Flujo de los LEDs. Ley de Haitz´s Flujo (lumens) 1000 100 LED alta potencia 10 1 LED indicador 0.1 0.01 0.001 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Año OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 21 Eficiencia luminosa de fuentes de iluminación Eficiencia luminosa (lm/W) 200 Lámpara eléctrica de descarga 150 Sodio alta presión LED alta potencia Halogenuro metálico 100 Buen LED Fluorescente Vapor de mercurio 50 Halógeno Wolframio Incandescente 0 1920 1940 LED blanco Incandescente Estándar 1960 1980 2000 2020 Año OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 22 Factor relativo de visibilidad 1,0 0.9 0.8 0.6 Infrarrojo Ultravioleta 0.7 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.4μm OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 0.5μm 0.556 μm λ(μm) 0.7μm 23 Diferentes colores de Leds emisores de luz InGaN: Azul Royal Azul Cyan InGaN Verde AlInGaP: Rojo Ambar AlInGaP Blanco (Blanco+fósforo) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 24 Cuerpo negro Cuero negro a varias temperaturas de color Radiación del cuerpo negro en la escala del visible OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 25 Líneas isotérmicas de temperatura de color correlacionada (CCT) dibujado para el espacio de color CIT de 1931 Las lámparas halógenas y las bombillas incandescentes están entre 3000K-4000K y el ojo humano puede detectar cambios en la CCT en torno a ≈50K-100K. Fuentes visibles de iluminación múltiple al mismo tiempo pueden tener CCTs que están dentro de ≈50K-100K con coordenadas de cromaticidad cercana a la curva del cuerpo negro. Aunque una fuente de luz blanca pueda tener coordenadas de color cercanas a la 26 OPTOELECTRÓNICA-ELAI curva del cuerpo negro, la Tema fuente4 puede no entregar ese mismo color cuando ilumina un objeto Rendimiento de color Un objeto es rojo porque refleja las radiaciones luminosas rojas y absorbe todos los demás colores del espectro. Esto es válido si la fuente luminosa produce la suficiente cantidad de radiaciones en la zona roja del espectro visible. Para que una fuente de luz sea considerada como de buen “rendimiento de color, Ra”, debe emitir todos los colores del espectro visible. Si falta uno de ellos, este no podrá ser reflejado. Las propiedades de una fuente de luz, a los efectos de la reproducción de los colores, se valoran mediante el “Indice de Reproducción Cromática” (IRC) ó CRI (“Color Rendering Index”). Este factor se determina comparando el aspecto cromático que presentan los objetos iluminados por una fuente dada con el obtenido por una “luz de referencia”. Los espectros de las lámparas incandescentes ó de la luz del día se denominan “continuos” por cuanto contienen todas las radiaciones del espectro visible y se los considera óptimos en cuanto a la reproducción cromática; se dice que tienen un IRC= 100. En realidad ninguno de los dos es perfecto ni tampoco son iguales. (al espectro de la lámpara incandescente le falta componente “azul” mientras que a la luz del día “roja”) Distribución espectral de una lámpara incandescente Iluminante Standard CIE tipo A OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 Distribución espectral de la luz del día Normal Iluminante Standard CIE D65 27 Lugar geométrico del diagrama CIE Planckian La capacidad de una fuente de iluminación para entregar colores verdaderos se resuelve mediante medidas del índice del color entregado en la escala Ra de 0 a 100. El sol del mediodía, las lámparas incandescentes y otros radiadores cercanos al cuerpo negro están en color rendering indexTema (Ra)4 cerca de 100. OPTOELECTRÓNICA-ELAI 28 ¾ Led blanco ¾Led ámbar ¾Lámpara de Halogenuro OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 de potencia de potencia mW por 5Distribución nm por lumen Distribución espectral nominal espectral relativa Distribución Espectral 1.0 Ambar Vλ 0.8 0.6 0.4 Longitud de onda (nm) 0.2 0.0 400 450 500 550 600 650 700 Longitud de onda (nm) Longitud de onda (nm) 29 Flujo radiante a.u. A) Espectro Fluorescente B) Espectro pc-LED 25 70 20 60 50 15 --- Cuerpo negro 3630K ⎯ Fluorescente CCT ≈3600K Ra =83 10 CCT ≈4000K Ra =75 40 30 20 5 10 0 0 400 450 500 550 600 650 700 750 800 Longitud de onda (nm) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 400 450 500 550 600 650 700 750 800 Longitud de onda (nm) 30 Unión p-n polarizada directamente Tipo p Energía Electrón EC Tipo n hν EF EV hν EF Distancia Inyección de portadores minoritarios y la consiguiente recombinación radiativa con los portadores mayoritarios en una unión p-n polarizada directamente. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 31 p n As+ (a) e– Bh+ M Eo Neutral p-region M E (x) Neutral n-region (b) M log(n), log(p) Wn x (e) –Eo V(x) Vo Región de deplexión Wp Wn –Wp 0 ppo x nno ni ρnet eNd (c) pno npo (f) PE(x) eVo HuecosPE(x) x x=0 M x (g) –Wp Wn x (d) Electrones PE(x) – eVo -eNa OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 32 Semiconductor de banda directa Diagrama E-k Diagrama de bandas de energía Ek BC Banda de conducción (BC) e- Llena ψk EC hν Eg Banda de valencia (BV) h+ EV Ocupado ψk e- EC EV hν h+ BV k –š /a š /a En el diagrama E-k de un semiconductor de gap directo como el GaAs, cada punto corresponde con un posible estado de energía, cuya función de onda es ψk(x) En el diagrama de bandas las energías correspondientes a EC y EV, no son soluciones de ψk(x) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 33 Tipos de recombinación EC 1 2 3 4 Fotones EV EC 1 2 3 4 EV OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 Fonones Recombinación radiativa 1- Electrón-hueco libre 2- Excitón libre 3- Electrón-aceptor neutro 4- Donador-aceptor Recombinación no radiativa 1- Recombinación Auget intrínseca 2- Recombinación Auget-aceptor neutro 3- Recombinación Auget donadoraceptor 4- Centros de recombinación con emisión de fonones 34 Diagramas E-k correspondientes a un semiconductor de banda directa e indirecta Banda directa Banda indirecta E E E BC Gap indirecto,Eg Ec Gap directo Eg Fotón BC Ev (a) GaAs (b) (c) BV kvb k –k –k Ec (b) Si BC E r k cb Ev BV (a) Banda indirecta Ec Fonón Ev BV k –k k (c) Si con centros de recombinación El GaAs es un semiconductor de banda directa ya que el mínimo de su BC se produce para el mismo valor del módulo del vector de onda k del electrón que el máximo de la BV, la transición del electrón de la BV a la BC sólo requiere un ajuste de energía que se realiza mediante la emisión del fotón El Si es un semiconductor de banda indirecta, el mínimo de energía de la BC y el máximo de energía de la BV se producen para valores diferentes del módulo del vector k En la recombinación de un electrón y un hueco en el silicio para conservar el vector de onda, es necesario que se cree un fonón al mismo tiempo OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 35 Absorción y emisión de fotones a) b) a) Generación del par electrón-hueco por absorción de un fotón b) Recombinación de un electrón hueco emitiendo un fotón OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 36 Absorción y emisión iAbsorción: 9Térmica: electrón pasa de E1 a E2 a causa de proceso térmico 9Estimulada: un fotón con energía hν=E2-E1 incide y excita un electrón de E1 a E2. iEmisión 9Espontánea: el electrón retorna a E1 en forma aleatoria después de un tiempo de vida τ (LED) 9Estimulada: Un electrón que ha absorbido energía de un fotón y pasa al estado Es retorna al estado E1creándose un segundo fotón hν (LASER): OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 37 Propiedades de varios materiales semiconductores. Grupo(s) IV IV -VI Elemento Componente Gap directo/ Eg(eV) indirecto C Si Ge SiC i i i i 5.47 1.12 0.67 3.00 i i i i d i d d d d d d d d d d d d d 2.45 5.90 1.50 2.16 3.40 2.26 1.43 2.40 1.35 0.35 0.18 3.20 3.80 3.60 2.28 2.58 2.53 1.74 1.50 (hex. III -V II -VI α) AlP AlN AlSb AlAs GaN GaP GaAs InN InP InAs InSb ZnO ZnS( α ) ZnS( β ) ZnSe ZnTe CdS CdSe CdTe OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 Posibilidad de doparle tipo n o p Sí Sí Sí B(m3s-1) 1.79x10 5.25x10 -21 -20 No No Sí Sí Sí No No No No No No No Sí 5.37x10 7.21x10 -20 1.26x10 8.50x10 4.58x10 -15 -16 -17 -17 λg(nm) 227 1106 1880 413 506 210 826 574 365 549 861 516 918 3540 6870 387 326 344 480 544 490 712 826 38 Recombinación relacionados con niveles de energía de impurezas Tipos de recombinación por impurezas: En (a) un electrón se mueve de la banda de conducción al nivel aceptor vacío. En (b) un electrón en un nivel donador se recombina con un hueco de la banda de valencia. En (c) un electrón en un nivel donador cae a un nivel aceptor vacío. Este último proceso requiere que el nivel donador y aceptor estén físicamente cerca. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 39 Energía del gap (Eg) vs constante de red (a) E g(eV) Compuesto cuaternario de banda indirecta GaP 2.6 2.4 2.2 2 AlAs 1.8 1.6 GaAs 1.4 Banda directa Banda indirecta AlxGa1-xAs Compuesto cuaternario de banda directa InP 1.2 1 0.8 In1-xGaxAs In0,535Ga0,465As 0.6 X 0.4 InAs 0.2 0.54 0.55 0.56 0.57 0.58 0.59 0.6 0.61 0.62 Constante de red, a(nm) Energía del gap Eg y constante de red a para varios compuestos III-V: GaP, GaAs, InP y InAs. Una línea representa el compuesto ternario formado con los binarios de los extremos de la línea.. El área de la superficie amarilla representa compuestos de gap directo, mientras que el resto representa compuestos de gap indirecto. Una línea vertical representa a los diferentes compuestos con igual constante de red. La línea de X representa el cuaternario In1-xGax AsyP1-y formado compuestos con 40 OPTOELECTRÓNICA-ELAI 4 Ga0,465As e InP. igual constante de red porTema In0,535 Recombinación de excitones Átomos de la red • • Los estados de excitón están entre los gaps de energía de los materiales semiconductores ultrapuros. Podemos ver estos estados de forma similar a los estados de Bohr en que un electrón y un hueco giraban alrededor de su centro común de gravedad separados una gran distancia. Átomos de la red El electrón y el hueco están débilmente unidos y los estados de excitón se sitúan justo por debajo de la banda de conducción. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 41 Espectro de longitud de onda (a) (b) E Ec+χ (c) g(E) ∝(E–Ec)1/2 E (d) E [1–f(E)] Area= ∫ nE (E)dE= n BC electrones Ec nE(E) Ec EF EF Ev E v huecos pE(E) Área=p BV 0 g(E) f(E) nE(E) o pE(E) a) Diagrama de energía de bandas. b) Densidad de estados (número de estados por unidad de energía y por unidad de volumen. c) Función de probabilidad de Fermi-Dirac (probabilidad de ocupación de los estados. d) El producto de g(E) y f(E) es la densidad de energía de los electrones en la BC (número de electrones por unidad de energía y por unidad de volumen). ElTema área4bajo nE(E) vs E es la concentración de electrones. OPTOELECTRÓNICA-ELAI 42 Materiales Comercializados Infrarrojo cercano Amarillo GaAs.14P.36 Verde Naranja Ga P:N GaAs.35P.65 GaAs Rojo GaP:ZnO GaAs.6P.4 Violeta GaN 0.3 0.4 0.5 0.6 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 0.7 0.8 0.9 In0,72Ga.17As.60P.40 In.83Ga.17As.34P.66 1.0 1.1 1.2 1.3 λ(μm) 43 Espectro de salida de un Si dopado y un Zn difuso en un LED de GaAs. 850 900 950 El GaAs es un semiconductor con gap directo con Eg=1,443 eV y con λg=869nm. Se pueden conseguir uniones p-n adecuadas por difusión de Zinc en cristales de GaAs tipo n. La radiación se deberá a transiciones banda a banda, sujetas a una fuerte reabsorción, reduciendo la eficacia del dispositivo y aumenta el pico de longitud de onda de emisión hasta 870nm. Diodos más eficaces usan silicio como dopante, dependiendo de las condiciones de crecimiento se obtiene material p o n. También se forman niveles aceptores complejos 0,1 eV por encima de la banda de valencia. Las transiciones entre estos niveles y la banda de conducción dan lugar a radiación con un pico de longitud de onda de emisión 44 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 del orden de 1000nm, que no es sujeto de reabsorción. Fosfuro de Galio GaP EC EC S Zn-O Eg ≈ 2,26 ev Eg ≈ 1,8 ev Rojo Verde Zn EV Zn EV El Fosfuro de Galio es un semiconductor de gap indirecto con Eg=2,26eV y λg=549nm, donde no suelen producirse transiciones banda a banda. Impurificándolo con diferentes materiales, se consigue emisión roja, amarilla o verde. Se pueden usar dopantes en transiciones radiativas. Estos reemplazan a los átomos de Fósforo y forman centros de recombinación llamados trampas isoelectrónicas. Empleando niveles incrementados de dopaje con Nitrógeno y también con Zinc y Oxígeno simultáneamente se llega a unas trampas más profundas y consecuentemente mayores longitudes de onda de emisión. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 45 Arsenofosfuro de Galio (GaAs1-xPx) ENERGÍA DEL GAP (ev) x T=300K GaAs1-xPx Gap indirecto X=0,45 Eg=1,977ev Banda de Conducción Gap directo Banda de Valencia k 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 GaAS GaP FRACCIÓN MOLAR OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 MOMENTO K 46 LED de GaAsP Contactos eléctricos 5 μm p-Ga As0,6P0,4 50 μm 200 μm Máscara de difusión n-Ga As0,6P0,4 Substrato n-Ga As Contactos eléctricos Corte de un LED estándar de emisión roja basado en GaAsP. Una capa de tipo n de GaAs0,6P0,4 (usando Teluro como dopante) es depositada por una fase de vapor en un substrato de GaAs. Se forma una unión p-n por difusión de Zn a través de una máscara de difusión. El pequeño contacto de aluminio de la parte superior permite que escape la mayor radiación posible; cualquier radiación que circule por debajo es casi completamente absorbida por el GaAs. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 47 Características de los materiales más empleados en LEDs. Material Dopante Emisión máxima (nm) GaAs Si 910→1020 GaxAl1-xAs(1<x<0.7) Si 879→890 GaP Zn,O 700 GaAs0.6P0.4 650 Ga0.6Al0.4As Zn 650 GaAs0.35P0.65 N 632 GaP N,N 590 AlInGaP 570 GaP N 555 Zn0.9Cd 0.1Se 489 SiC 470 In0.06Ga 0.94As Zn 450 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 Color Eficacia cuántica externa (%) Infrarrojo 10 Infrarrojo 15 Rojo 4 Rojo 0.2 Rojo 15 Naranja 0.2 Amarillo 0.1 Amarillo 1 Verde 0.1 Azul 1.3 Azul 0.03 Azul 3.8 48 Generación de luz blanca A Pico azul Pico verde 470 525 590 630 A. B. C. B Pico rojo (nm) Espectro Espectro LED UV Combinado Espectro Fósforo 410 470 525 590 630 (nm) C Espectr Fósforo Espectro Combinado Espectro LED azul 470 525 590 630 (nm) Mezcla de tres LEDS (rojo, verde y azul, RBG), emitiendo fotones en longitudes de onda y relaciones de potencia apropiadas. Led ultravioleta para emitir una combinación de rojo, verde y azul creada por un fósforo Leds azules de InGaN con fósforo amarillo OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 51 Balance de luminancia debido a la mezcla de emisión de Leds de tres diferentes colores (RBG) en el interior del triángulo. Blanco DS65: Coordenada y 520nm verde 467nm azul 4.6lm Rojo+10lm Verde+1lm Azul Curva Planckian 4.6lm rojo+10 lm verde+1lm azul 627nm rojo 1 lm rojo+1 lm verde+1lm azul Coordenada x OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 52 Led azul de InGaN con Fósforo amarillo Coordenadas x,y del fósforo amarillo Led InGaN+ Fósforo amarillo= blanco ≈8000K CIE Iluminante C Led InGaN azul 470nm ≈5500K típico Curva cuerpo negro Diagrama de cromaticidad CIE 1931 Fabricación de Leds blancos combinando en el mismo chip Leds azules de InGaN con fósforo (Pc-Led) que modifican la longitud de onda. La luz azul emitida por el Led INGaN es absorbida por la emisión amarilla del fósforo y reemitida como una longitud de onda larga fosforescente, generando luz blanca por la mezcla de dos bandas de emisión OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 53 Sección transversal de un Led basado en InGaN. Estructura flip-chip Unión InGaN Unión metálica Luz Reflector plateado Zafiro Substrato de silicio Estructura Flip-Chip: Led azul y fósforo en el interior del Led encapsulado. El reemplazamiento de la capa delgada actual extendida en los Leds convencionales por el contacto metálico grueso y opaco de estos LEDs flip-chip, permite operar a mayores densidades de corriente con fiabilidad alta. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 54 Eficiencia óptica Óxido p-GaAsP 1 θ2 Aire n-GaAsP GaAsP-Región graduada n2 GaAsP GaP- Substrato n1 θ1 θC 2 3 Fuente de luz Fenómeno de reflexión total interna. Cuando un rayo de luz incide con un ángulo θ1 en una superficie entre dos medios de índices de refracción n1 y n2 (n1> n2) entonces el rayo de refracción (rayo 1) forma un ángulo θ2 con la normal a la superficie, donde n1senθ1 = n2senθ2 (ley de Snell). Para el ángulo crítico (θ1=θC), θ2 =90º (rayo2) y el rayo de refracción no cruzará la superficie y quedará en ella. Para ángulos de incidencia mayores que θC (rayo 3), el rayo se reflejará totalmente en el medio inicial. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 55 Construcción de Leds Dos métodos empleados para reducir las pérdidas de reflexión en LEDs. En (a) el material p está hecho en forma semiesférica, así golpea más radiación a la superficie de contacto semiconductor-aire en un ángulo menor al crítico que para cualquier otra forma geométrica. En (b) la unión p-n está rodeada de un encapsulado de plástico de alto índice de refracción. Las pérdidas en esa superficie son menores que si tenemos directamente el semiconductor en contacto con el aire. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 56 Construcción del LED Ga As1-x Px OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 57 Distribución de la radiación espacial de un LED OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 58 Longitudes de onda para diferentes materiales OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 59 Efecto de la temperatura Potencia espectral relativa de salida –40°C 1 25°C 85°C Corriente directa (mA) 400 350 Azul, Azul royal, Cyan, 300 Verde, Blanco (InGaN) 250 Rojo, Naranja, 200 Ambar(AlInGaP) 150 100 ΔV ≈ - 2mV/ºC 50 0 740 800 840 880 900 Longitud de onda (nm) 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3.5 4 Voltaje directo (V) Espectro de salida del Led de AlGaAs, para valores normalizados del pico de emisión a 25ºC OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 60 Homounión Interfaz entre dos semiconductores con diferentes dopados e igual Eg. Energía del electrón n+ p Ec eVo (a) EF Ec EF Eg n+ p Eg h υ - Eg Ev eVo (b) Ev Distancia hacia el interior del dispositivo V Electrones en BC Huecos en BV (a) Diagrama de bandas de energía de una unión p-n+ sin polarizar (b) Unión con polarización directa. La reducción del potencial permite la difusión de electrones que penetran en la zona p. La recombinación producida en la proximidad de la unión genera fotones. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 61 Heterounión ¾ Interfaz entre dos semiconductores con diferentes energías del gap Eg. ¾ Heterounión doble = dos heterouniones ¾ Confinamiento de la luz en la región activa a causa de: • Concentración de electrones en región activa • Índice de refracción más alto en región activa: guía de onda ¾ Reducción de la corriente umbral • Homounión: corriente umbral = 1 A • Heterounión: corriente umbral: 50 - 200 mA OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 62 Heterounión n+ (a) AlGaAs p p AlGaAs GaAs ~0.2μ m ΔEc Electrones en BC eVo 1.4eV EF Ec 2eV E Ec (b) a) Sin polarizar F Ev 2eV Huecos en la BV Ev (c) n+ p p (d) AlGaAs GaAs OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 AlGaAs Heterounión formada por dos homouniones con semiconductores de energías del gap distintas (GaAs Eg ≈ 1,4 eV y AlGaAs Eg ≈ 2 eV ) b) Diagrama de bandas de energía simplificado sin polarizar, por tanto EF debe permanecer constante c) Con polarización directa Diagrama de bandas de energía simplificado con polarización directa. d) Led con polarización directa se produce el confinamiento de la luz en la región activa a causa de la concentración de electrones en región activa y del índice de refracción más alto en región activa (guía de onda) 63 Led de emisión superficial y de emisión lateral Luz Doble heteroestructura (a) SLED: LED de emisión superficial ¾También llamdado: LED Burrus, Surface emitting LED (SLED) ¾Emisión restringida en una pequeña región activa Luz (b) ELED: LED de emisión lateral ¾Inglés: Edge Emitting LED (ELED) ¾El haz se emite con mayor direccionalidad, lo que permite un mejor acoplamiento a fibra óptica ¾Potencia inyectada en una fibra típicamente del orden de -23 dBm (50 μW) ¾Presenta la misma estructura de un láser LD pero con una capa antireflectiva en las caras para prevenir emisión estimulada ¾Eficiencia de acoplamiento 1-2% ¾Guía de onda en la región activa provoca un estrechamiento de la radiación ¾Potencia inyectada en una fibra típ.-13 dBm OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 64 Led de emisión superficial - SLED Fibra (multimodo) Fibra Resina epoxy Microlentes (Ti2O3:SiO2vidrio Electrodo Etched well Double heteroestructura SiO (Aislante) 2 Electrodo (a) (b) La luz de un Led de emisión superficial es acoplada a una fibra multimodo usando una resina epoxy. La fibra está unida a la estructura del Led Las microlentes focalizan la luz divergente de un Led de emisión superficial hacia el interior de una fibra multimodo El diagrama de radiación es isótropo con una anchura de haz a 3 dB de 120º en ambos planos perpendiculares a de la unión pn, considerado tipo Lambertiano Se consigue un mejor acoplamiento OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 La eficiencia de acoplamiento llega al 15% 65 Led de emisión lateral – ELED Estructura de doble heterounión 60-70 μm L Franja del electrodo Aislante + p -InP(Eg =1.35eV, Capa confinada) p+-InGaAsP(Eg ≈ 1eV, Capa confinada) n-InGaAs (Eg ≈ 0.83eV, Capa activa) n+-InGaAsP (Eg ≈ 1eV, Capa confinada) n+-InP(Eg =1.35eV,Cubierta/substrato Electrodo 2 1 Caminos ubstrate de corriente Grano de luz 3 200-300 μm Superficie reflectante Región activa (región de emisión) Las capas de confinamiento realizan el confinamiento de los electrones, de huecos y de fotones, provocando que la luz salga al exterior por el borde del Led. El plano de radiación resultante no es isótropo su anchura a 3 dB es de unos 30º en dicho plano y de 120º en el plano paralelo al de la unión. El ELED proporciona menos potencia al exterior que el SLED, pero acopla una mayor potencia óptica a fibras de apertura numérica baja (AN<0,3), debido a la mayor directividad de su patrón de radiación. Los ELED se utilizan mas que los SLED en el acoplamiento con fibras monomodo. La anchura de banda del ELED es superior al SLED. Los ELED son capaces de soportar velocidades 66 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 de modulación superiores a los SLED a igualdad de corriente de polarización (hasta cientos de MHz) Acoplamiento entre Led y Fibra óptica ELED Capa activa Lente GRIN- Lente ELED Fibra multimodo (a) Fibra monomodo (b) La luz proveniente de un ELED es acoplada a la fibra usando una lente hemisférica para colimar los rayos de luz hacia el interior de la fibra multimodo o una lente de gradiente de índice (GRIN) para enfocar los rayos de luz hacia una fibra óptica monomodo OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 67 LÁSER El láser es un proceso que realiza una transformación de energía externa (eléctrica, óptica, química) en energía luminosa de características especiales como son: ¾ Ser monocromática, es decir, que se emite en una longitud de onda concreta. ¾ Presentar coherencia, por emitirse en el mismo momento. Esto indica que todas sus ondas van en fase. (Los fotones emitidos tienen la misma energía y vector de ondas que los fotones incidentes). ¾ Es direccional, se transmite en forma de un haz muy fino sin divergencia. ¾ Es altamente brillante, o de gran densidad fotónica. ¾ Capacidad de enfoque. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 68 Absorción y emisión E2 hυ hυ E2 Entrada hυ E2 hυ Salida hυ E1 E1 (a) Absorción E1 (b) Emisión espontánea (c) Emisión estimulada ¾ Emisión espontánea: LED ¾ Emisión estimulada: luz coherente: Laser. Los fotones presentan la misma frecuencia y la misma fase ¾ Equilibrio: absorción estimulada cancela emisión espontánea OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 69 Principio de Láser. Procesos de bombeo hυ32 E3 E3 hυ 13 E 2 E 2 Estado metaestable E1 (a) E3 E 3 E 2 hυ E 1 (b) E 1 (c) E2 Salida Entrada hυ21 21 Fotones E Coherentes 1 (d) a) Se bombean electrones en el nivel E1 alcanzando el nivel E3 por absorción de fotones de energía hν13= E3-E1 b) Los electrones en el nivel E3 rápidamente decaen al estado metaestable E2 emitiendo fotones o vibración en la red, cuya energía es hν32= E3-E2 c) Como los estados a E2 es duradero, este estado se puebla rápidamente, produciéndose una inversión de la población entre E2 y E1. d) Un fotón aleatorio (de un decaimiento espontáneo) de energía h21 = E2–E1 puede comenzar estimulado la emisión. Los fotones de esta emisión estimulada producen a su vez una avalancha de emisiones estimulada, emitiéndose fotones coherentes. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 70 Cavidad resonante La cavidad resonante potencia la emisión láser consistente en colocar dos espejos en los dos extremos del emisor, uno de ellos semitransparente. La radiación oscila entre uno y otro, descargando cada vez mas átomos, hasta que al adquirir suficiente intensidad sale al exterior por el espejo semitransparente OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 71 Cavidad resonante en un medio láser Reflecting surface 2 Pf Ef Pi Reflecting surface Ei Steady state EM oscillations R2 L 1 Cavity axis x R1 La cavidad resonante o resonador consiste en dos espejos enfrentados, uno de ellos con una reflectancia lo más próxima a la unidad (100%) y el otro con una reflectancia un poco menor (90%). De esta manera se consigue confinar la luz emitida en dirección perpendicular a los espejos en una región limitada, logrando así que estos fotones pasen a través del medio activo numerosas veces OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 72 Funcionamiento del Láser Láser de tres niveles 980 nm 1550 nm Entrada 1550 nm Salida El nivel fundamental de energía es a su vez el nivel láser inferior, el nivel energético superior es un estado excitado de vida media muy corta y el nivel energético inferior es un estado metaestable que actúa como nivel láser superior. Para producir la inversión de población, muchos átomos deben ser excitados al nivel superior, requiriendo esta situación mucha energía OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 73 Funcionamiento del Láser Láser de cuatro niveles OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 74 Potencia de emisión de un láser y de una fuente de emisión espontánea λ Laser = λ central + Δλ OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 75 Divergencia Radiación Láser θ Tubo Láser Δr L θ El rayo de salida del Láser tiene una divergencia caracterizada por el ángulo 2θ (en la gráfica está exageradamente remarcado) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 76 Semiconductor de gap directo 1.Esquema de bandas de un semiconductor de gap directo. Donde EFv y EFc representan los niveles de Fermi en las bandas de valencia y conducción Al polarizarse el diodo láser en directa, se modifican los niveles de Fermi de las bandas de conducción y valencia, acumulándose un exceso de huecos en la banda de valencia y un exceso de electrones en la de conducción. La condición umbral para que se inicie la amplificación precisa que dentro de la región activa, el nivel de Fermi de la banda de valencia sea menor que su borde superior y que el nivel de Fermi de la banda de conducción sea mayor que su borde inferior OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 77 Láser de semiconductor 1.Niveles involucrados en la acción láser de una región de transición de una unión pn degenerada. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 78 Diodo Láser p+ Unión n+ Ec Eg Ev EFv eVo Huecos en BV E l ectr ones Ec EFc Electrones en BC Ec n+ p+ Eg Región de inversión EFc Ec eV EFv (a) Ev (b) V a) b) Diagrama de energía de bandas de una unión pn degenerada y sin polarizar Diagrama de bandas con polarización directa, habiéndose producido la inversión de la población y la emisión estimulada OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 79 Inversión de la población Energía Ganancia óptica EF c Ec BC EF − EF c v Electrones en BC eV hυ 0 Ev EF Huecos en BV = estados vacios v Eg At T > 0 At T = 0 BV Absorción óptica Densidad de estados (a) (b) a) Densidad de estados y distribución de energía de electrones y huecos en las bandas de conducción y valencia respectivamente a T≈0 de una unión pn con polarización directa de forma que E Fc − E Fv > E g b) Ganancia vs energía del fotón OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 80 Efecto de la temperatura sobre la potencia En este tipo de Láser se debe controlar la temperatura pues pequeñas variaciones de ésta pueden modificar sensiblemente la potencia emitida La variación de temperatura también afectará a las características espectrales, se produce un descenso de las frecuencias de resonancia y un desplazamiento hacia frecuencias menores del espectro de ganancia, produciendo un aumento de la longitud de onda emitida con la 81 OPTOELECTRÓNICA-ELAI temperatura y una serie Tema de saltos 4 de esa longitud de onda para ciertas temperaturas. Intensidad luminosa vs corriente de alimentación Al aumentar la corriente de alimentación (o análogamente la tensión de polarización hasta conseguir que se cumpla E Fc − E Fv > E g ), se alcanza un nivel umbral donde se invierte la población de electrones y comienza la acción láser OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 82 Amplificación Láser Coeficiente de ganancia máxima, γp, en función de la densidad de corriente J para el modelo lineal. Cuando J=JT el material es transparente y no muestra ganancia o pérdida. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 83 Láser de inyección formado por una unión pn polarizada directamente con dos superficies paralelas que actúan como reflectores Superficie reflectante Superficie reflectante L OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 84 Densidad de corriente umbral vs espesor de la capa Dependencia de la densidad de corriente umbral Jt con el espesor de la capa activa, l. La doble heteroestructura presenta un valor más bajo de Jt que la homoestructura láser y por tanto superior rendimiento. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 85 Potencia de salida de un láser semiconductor en función de la corriente de alimentación. Potencia óptica Potencia óptica Potencia óptica Laser LED Emisión estimulada λ Potencia óptica Laser Emisión espontánea λ 0 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 i it λ 86 El láser de Fabry-Perot Espejo dieléctrico Cavidad Fabry-Perot Longitud L Altura H Anchura W Rayo láser limitado por la difracción Un oscilador óptico estará constituido por un medio amplificador y una estructura que proporciona realimentación positiva. Una forma sencilla de proporcionar la realimentación requerida es mediante una cavidad Fabry-Perot, que estará constituida por dos espejos separados una distancia L, siendo el material comprendido entre los mismos el medio de propagación. La cavidad se forma al embutir la heteroestructura entre dos espejos, es paralela al plano de la unión pn y está físicamente localizada en la zona activa del semiconductor La reflexión tiene lugar debido a la discontinuidad entre el medio semiconductor y el aire. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 87 Modos en un Láser Fabry-Perot Espectro de emisión de un láser Fabry-Perot a partir del producto de la curva espectral de ganancia que compone su medio activo y del espectro periódico de la cavidad FabryPerot. Sólo aquellos modos cuya ganancia supera el valor de ganancia umbral son emitidos por el láser. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 88 Modos del Láser Cavidad óptica T EM00 TEM10 TEM00 TEM10 (a) Espejo esférico (b) Frentes de onda TEM01 (c) TEM11 TEM01 TEM11 (d) a) Reproducción de los modos transversales en la cavidad óptica. b) Frentes de onda en la cavidad óptica c) Cuatro modos transversales de orden bajo en la cavidad transversa: los modos y sus campos. d) Modelos de Intensidad en los modos de c). OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 89 Confinamiento de la luz dentro de la zona activa En el diodo láser horizontal una acción láser eficiente requiere el uso de resonadores ópticos, la realimentación que concentra la emisión estimulada en el plano de la unión, proviene de los bordes pulidos del cristal semiconductor que actúan como espejos debido al alto índice de refracción de los semiconductores, que hace que estas caras pulidas reflejen aproximadamente el 30 %. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 90 Homoestructura y heteroestructura OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 91 Láser de heteroestructura Superficie reflectante W d Electrodo de tira Oxido aislante p-GaAs (Capa contacto) p-Al xGa1-xAs (Capa confinada) p-GaAs (Capa activa) n-Al xGa1-xAs (Capa confinada) n-GaAs (Substrato) Rayo Láser elíptico 2 1 3 Camino corriente Substrate Substrato Electrodo Superficie reflectante Región activa donde J > Jth. (Región de emisión) Esta estructura proporciona un confinamiento lateral para la luz, lo que reduce la corriente umbral hasta It∼60mA. Usando esta estructura, es posible fabricar sobre el mismo sustrato semiconductor, muchos láseres paralelos tipo-tiras 92 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Temay4así conseguir potencias de hasta 10 vatios en modo continuo. Láseres guiados por ganancia Crece en la parte superior de la estructura una tira metálica estrecha. El paso de la corriente por esta tira aumenta la ganancia y reduce el índice de refracción de la parte de la zona activa situada por debajo de la tira. El índice de refracción de la zona central es inferior al de las capas circundantes, con lo que esta estructura posee características opuestas a las de una guía de onda . Los láseres guiados por ganancia presentan peores características que los guiados por índice, en particular la intensidad umbral es bastante mayor ( 50 a 60 mA), ya que la luz se propaga por un medio fuertemente absorbente fuera de la zona activa. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 93 Láseres guiados por índice de refracción a) Láser de heteroestructura enterrrada muy estrecha crecida sobre el substrato b) Difusión selectiva de un dopante hacia la zona activa modificando su índice de refracción c) Estructura de anchura variable. Se crecen capas de cristal sobre un canal crecido sobre el substrato d) Estructura de capas dobladas y anchura constante crecidas sobre el substrato OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 94 Técnicas usadas en láseres guiados por índice para el confinamiento de la corriente de inyección dentro de la zona activa del dispositivo a) Por difusión de dopantes de Zn o Cd tipo p en la capa n b) Implantación protónica de zonas de alta resistividad a ambos lados de la zona activa c) Crecimiento de una hendidura en forma de tira interna en la zona activa sobre el substrato d) Crecimiento de uniones pn4en inversa a ambos lados de la zona activa OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 95 OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 96 Láser monomodo Los láser de Fabry-Perot presentan una serie de desventajas, pues aunque se diseñen para que sólo un único modo longitudinal verifique la condición de ganancia umbral, en la práctica existen varios modos cuya ganancia es ligeramente inferior a la umbral en ausencia de modulación, de forma que al modular el láser adquieren ganancia suficiente para emitir radiación estimulada. Tipos de Láseres monomodo • • • • • • Láser de cavidad cortada y acoplada (C3) Láser con reflectores de Bragg distribuidos (DBR) Láser de realimentación distribuida (DFB) Láser de pozos cuánticos (SQW) Láser de emisión superficial (SELDs ) Láser de cavidad vertical (VCSEL) OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 97 Láser de cavidad cortada y acoplada (C3) Un láser de este tipo consiste básicamente en dos láseres Fabry-Perot independientes acoplados ópticamente entre si, de forma que su separación es de unas 5 μm. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 98 Láser con reflectores de Bragg distribuidos (DBR) Λ Distributed Bragg reflector q(λB/2n) = Λ A B (a) Active layer Corrugated dielectric structure (b) (a) Distributed Bragg reflection (DBR) laser principle. (b) Partially reflected waves at the corrugations can only constitute a reflected wave when the wavelength satisfies the Bragg condition. Reflected waves A and B interfere constructive El láser DBR, acrónimo de Distributed Bragg Reflector laser, es similar al láser de FabryPerot, con la diferencia de que incorpora espejos selectivos en frecuencia implementados por medio de reflectores Bragg a ambos lados de la cavidad. Dichos reflectores seleccionarán una 99 de entre las frecuencias Tema de oscilación de la cavidad activa OPTOELECTRÓNICA-ELAI 4 Láser de realimentación distribuida (DFB) Potencia óptica Emisión umbral Ideal 0.1 nm λB (a) (b) λ λ (nm) (c) El láser DFB, acrónimo de la denominación anglosajona Distributed FeedBack laser, se obtiene al incorporar una red de difracción de Bragg a la zona activa del dispositivo a) Estructura de realimentación distribuida (DFB). b) Salida de la emisión umbral ideal c) Salida típica espectral de un Láser DFB OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 100 Láser de pozos cuánticos (SQW) E Ec E1 hυ =E1 –E’1 Ev E’1 Si los pozos cuánticos se colocan en una unión pn de un diodo láser, permiten concentrar en capas muy finas los electrones y huecos, consiguiendo una eficaz recombinación de éstos que disminuye considerablemente la intensidad umbral. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 101 Láser de pozos cuánticos múltiples (MQW) E Ec Capa activa Barrera Ev Uno de los problemas de los SQW es que a causa de tener una región activa tan estrecha el confinamiento óptico es muy pobre, lo que da lugar a altas pérdidas y a la negación de las ventajas potenciales de una corriente umbral baja. Para reducir estos problemas se usa el láser OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 de múltiples pozos cuánticos ó MQW 102 Láser de cavidad vertical (VCSEL) Emisión vertical Contacto Substrato Espejo dieléctrico Capa activa λ /4n 1 λ /4n 2 La cavidad resonante está colocada perpendicularmente al plano de la capa activa. La luz resonará entre los espejos situados en la parte superior e inferior con lo que los fotones sólo pasarán a través de una muy pequeña longitud de la capa activa Espejo dieléctrico Contacto OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 103 Láser de diodo comercial. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 104 Aplicaciones de los láseres semiconductores. Sistema de lectura de un CD-ROM. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 105 Aplicaciones de los láseres semiconductores Esquema de grabación de un disco magneto-óptico. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 106 Aplicaciones de los láseres semiconductores Sistema de fibra óptica para larga distancia OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 107 Aplicaciones de los láseres semiconductores Diagrama de un sistema de medida de la distancia mediante modulación del haz. OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 108 Aplicaciones de los láseres semiconductores Esquema de la exposición y reconstrucción de un holograma a)exposición y b) reconstrucción OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 109 Aplicaciones de los láseres semiconductores Esquema de una memoria holográfica OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 110
