exm-op97f - Departamento de Electricidad y Electrónica

DISPOSITIVOS OPTOELECTRÓNICOS
5º Ingeniería Electrónica / 29 de enero 1997 / parte práctica
A continuación te presento una noticia publicada en una revista de divulgación
tecnológica. Leelo y contesta a las cuestiones que aparecen en la hoja adjunta.
NEWSBREAKS
La oxidación selectiva en heteroestructuras mejora la eficiencia de los VCSEL
La eficiencia de conversión de potencia eléctrica a potencia óptica en láseres de emisión por
superficie con cavidad vertical (VCSELs) ha pasado a ser de hasta un 53%, lo que supone una mejora de
un factor 2.5 respecto al record anterior, publicado el año pasado. También el record de eficiencia
cuántica diferencial para potencia óptica de 1 mW fue notablemente mejorado, alcanzando un 78%. La
longitud de onda de emisión de estos nuevos VCSELs es de 980 nm y su zona activa es de GaInAs. Estos
dispositivos han sido desarrollados en los Sandia National Laboratories (Albuquerque, New Mexico) y
han sido diseñados para aplicaciones de transmisión óptica de datos. El equipo científico, compuesto por
Kent Coquette, Kevin Lear y Richard Schneider, hizo uso de una serie de avances en el diseño y en el
crecimiento epitaxial de un dispositivo de heteroestructura muy complejo. Estos avances fueron
combinados con un proceso de oxidación selectiva con el fin de conseguir la baja resistencia eléctrica y
los elevados confinamientos ópticos y eléctricos necesarios para mejorar las eficiencias.
LASER FOCUS WORLD MARZO 1995
Materiales
1)
a) ¿Cuál es la energía de los fotones que emiten estos láseres?.
b) ¿Qué anchura de banda aproximada tendrá el GaInAs de la zona activa?
2)
a) ¿Qué substrato crees que se utilizará para la fabricación de estos dispositivos?. ¿Por qué?
Seguramente estés de acuerdo conmigo en que el GaInAs de la zona activa está sometido a una
tensión mecánica. Si es así, indica:
b) si está comprimido o expandido. Razona la respuesta.
c) qué precaución habrán tenido que tomar en el diseño de la heteroestructura y por qué.
d) si su anchura de banda prohibida va a ser mayor, igual o menor que un GaInAs de la misma
composición si no estuviera tensado.
Estructura
La noticia dice que los VCSELs particulares de los que trata son unos "dispositivos de heteroestructura
muy complejos". Tampoco dan detalles de cómo es el proceso de oxidación selectiva utilizado y no
vamos a entrar en él. Lo que sí tienes que conocer es cómo es la estructura de un VCSEL que
emitiera en 980 nm
3) a)
Dibuja la estructura de un VCSEL , suponiendo que la zona activa está formada por cinco
pozos cuánticos de GaInAs.
b) Indica en el dibujo qué material pondrías entre los pozos. Indica también qué longitud tomarías
para la cavidad vertical y di brevemente por qué.
c) Indica en el dibujo cuáles son los reflectores. Si en algún sitio utilizas un reflector de Bragg
indica qué materiales utilizarías (di brevemente por qué) y qué grosores pondrías a las capas (y
di brevemente por qué).
4) a)
b)
c)
Indica en el dibujo del apartado 4) el dopado que pondrías a cada capa (p+, p, i, n o n+)
Señala en el dibujo los contactos óhmicos y cómo minimizarías la resistencia eléctrica.
Suponiendo que la caída óhmica es despreciable, ¿cuál sería la tensión aprox. de
funcionamiento de estos láseres y por qué?
Características P-I y P-P
5-6)
Dibuja las gráficas de i) la potencia óptica frente a la potencia eléctrica (Popt(Pel)) y ii) la potencia
óptica frente a intensidad (Popt(I)) para los VCSELs del artículo.
5)
Representa en ellas todos los datos que puedas deducir a partir del artículo. Indica
brevemente de dónde tomas cada dato o cómo lo deduces.
Eficiencia de conversión de potencia eléctrica a potencia óptica < 53%
Eficiencia cuántica diferencial = 78% para Popt=1mW (y posiblemente parecida para Popt<1mW)
6)(a)
(b)
7)
Indica de manera cualitativa en las gráficas la contribución de la emisión espontánea y
cuál es el efecto de la resistencia eléctrica.
¿Es posible deducir cuál es el valor de la corriente umbral?.
En caso afirmativo, di cómo y represéntalo en las gráficas.
En caso negativo, comenta brevemente la relevancia de esta omisión y pon en las
gráficas la corriente umbral que te apetezca.
(En todo caso, indica en las gráficas lo mejor que puedas el valor -real o inventado- de
la corriente umbral).
En la noticia dice que para mejorar las eficiencias es necesario conseguir elevados
confinamientos a) ópticos y b) eléctricos. Explica por qué.
Respuesta espectral
8)
a)
Indica si lo más probable es que estos VCSELs sean monomodo o multimodo y por
b)
c)
qué.
Di si, en el caso que nos ocupa, las pérdidas de la cavidad óptica (r) van a depender
de la longitud de onda y por qué.
Dibuja esquemáticamente una gráfica del coef. de ganancia en función de la longitud
de onda i) para I<Ith y ii) para I>Ith . Representa r en dichas gráficas. Indica también en
las gráficas la(s) longitud(es) de onda de resonancia de la cavidad.
Aplicación en transmisión de datos
La noticia dice que los láseres en cuestión han sido diseñados para ser utilizados en transmisión óptica
de datos. Supón, por ejemplo que funcionaran a 1 GHz, que su anchura espectral fuera de 0.2 nm y
que utilizaran fibras ópticas convencionales.
9)
a)
b)
Estima la máxima distancia de transmisión impuesta por la dispersión si las fibras son
monomodo.
Id. si las fibras son multimodo de índice gradual y =0.004 .
10)
¿Qué fotodetector (material y tipo de dispositivo) eligirías como receptor en este sistema de
comunicación?. Comenta brevemente los criterios más relevantes que has seguido en tu
elección.
Nota: Para 980nm, D=70 ps/(nm Km) y = 1 dB/Km. En el núcleo de la fibra n1=1.45
11)
Supón que el receptor que has elegido necesitara 500 fotones por bit para conseguir una
frequencia de error por debajo del límite deseado. Supón además que las pérdidas de inserción
son de 3 dB que la atenuación es de 1 dB/Km, que la potencia de funcionamiento de los
VCSELs es 1mW y que tomamos un margen de seguridad de 7 dB.
Estima cuál es la máxima distancia de transmisión impuesta por la atenuación.
Valoración
12)
La noticia presenta como muy interesante el logro del grupo de Sandia Nat. Labs con los
VCSEL. Sin embargo la eficiencia de los VCSEL no es aún tan buena como la de los mejores
láseres de guías de onda. Evalúa qué ventajas pueden tener los láseres de emisión por
superfície en comparación con:
a)
diodos láser en guía de onda que emitan en la misma longitud de onda.
b)
LEDs de emisión por superficie que emitan en la misma longitud de onda.
Puedes finalizar, si quieres y te parece oportuno, haciendo una valoración general o algún
comentario.