Transcript of OPTOELECTRÓNICA: Logros y perspectivas. ¿ Por qué OPTO...? POSIBILIDADES DE LA LUZ APLICACIONES...
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- OPTOELECTRNICA: Logros y perspectivas
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- Por qu OPTO...? POSIBILIDADES DE LA LUZ APLICACIONES Generacin
fotovoltaica Procesado, impresin, Instrumentacin y control Vdeo y
fotografa Visin nocturna Sensores Visualizadores Almacenamiento
ptico Comunicacin ptica Investigacin Rapidez ( 310 8 m/s )
Posibilidad de enfoque Visible para 0.4 - 0.7 m Deteccin a
distancia Variedad de Energa solar Inmune a perturbaciones Formacin
de imgenes Modificacin de materiales Interaccin selectiva
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- h (eV) 31.60.8 ( m) 0.40.71.6 visible comunicacin UV NIR MIR
sensores y procesado IR trmico Longitudes de onda de inters
GaPSiCGaAsSiGe E g (eV) Visible y NIR E g de los
semiconductores
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- Semiconductores interaccin con la luz Recombinacin emisin
Generacin e- h deteccin Por qu...electrnica ? Prestaciones: Bajo
coste Rapidez elctrica Bajo consumo Pequeo tamao Fiabilidad fotn h
> E g electrn hueco + - h BC BV I EgEg fotn h =E g hueco +
electrn - BC BV EgEg electrnicas o especficas Aplicacines:
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- Introduccin Fotodetectores: receptores, lectores y sensores
Perspectivas y conclusiones Guin Los diodos lser y sus aplicaciones
Los LED: los emisores ms sencillos Cmaras digitales Qu
semiconductores utilizamos Motivacin Qu semiconductores
utilizamos
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- Absorcin banda a banda semicond. directossemicond. indirectos
Para h > Eg absorcion de la luz atenuacin : (x) = (0)exp(- x) =
coef. de absorcin; L = 1/ muy probable (L 1 m) poco probable (L 100
m) Lo importante es que
- Diodos lser Estructura Zona activa QW (tensado) amplificacin
Guia de ondas (n 1 > n 2 ) realimentacin confina e-h Cladding
p+, n+ inyeccion confinar luz espejos
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- Mapa de los diodos lser 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) Lseres de cavidad vertical
(AlGaAs)
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- Lseres de AlGaAs Lectores de CD 780 nm (rojo-IR) P=5 mW Control
en potencia I F (normal)= 50-60 mA I F (defectuoso)= 100 mA LD+PD
mon + ptica+ PDs lect
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- Laser printer potencia moderada Lseres de AlGaAs
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- Alta potencia: arrays y stacks Lseres de AlGaAs Cunta P opt
pueden dar ? < 1 W cw a fibra 1mod < 10 W cw por tira <
100 W cw por array < 1000 W qcw por stack LASER-DIODE ARRAY Qu
hay que optimizar ? Estructura ( QW tensados, r s ,.. ) Fiabilidad
( recubrir los espejos ) Disipacin trmica
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- Bombeo de lseres de estado slido Aplicaciones de diodos lser de
alta potencia Aplicaciones industriales
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- Diodos lser de visible Inters:visible, menor Materiales:GaInP
670 nm AlGaInP 630 nm Color:rojo V 630nm > V 670nm
Aplicacin:punteros instrumentacin cdigos de barras lectores pticos
(DVD) (visible) (menor )
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- Diodos lser de visible
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- DVD Dic. 94Sony y Philips anuncian el MM-DC En. 95Toshiba y
otros anuncianel SuperDensity Dic.95acuerdo: DVD (Digital Versatil
Disk) Abril 97acuerdos sobre proteccin de copia Medio fsico:
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 De donde viene el aumento? Puntos: x 4.5 (2.1 2 )
( x 1.5 ) Datos/puntos: x 1.5 Datos: x 7 650 nm, 5mW
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- Lseres violeta: GaN Dificultades tecnolgicas Nakamura et al.
(1996, 1999) p P tip I th V F 0.4 m 5 mW45 mA5V instrumentacin
cientfica nuevos DVD ? APLICACIONES
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- La fibra ptica Optica guiada n 1 >n 2 Monomodo o multimodo
Dispersin Atenuacin 1 a ventana: 0.9 m 2 a ventana: 1.3 m 3 a
ventana: 1.55 m
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- Emisores para fibra ptica Minimizar atenuacion Minimizar
dispersion Rapidez Eficiencia Fiabilidad Acoplamiento a fibra
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- Emisores para fibra ptica Insercin en fibra alineamiento
acoplamiento estrategias de micro-ptica Respuesta en frecuencia
> 10 GHz eliminar RC parsitas I F f 3dB
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- Emisores para fibra ptica Lseres monomodo Comunicacin ptica a
larga distancia modal espectral Fibras monomodo lseres monomodo en
la fibra dispersin DFB DBR
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- Amplificadores opticos Fibra ptica dopada con erbio (EDF)
Comunicacin ptica a larga distancia atenuacin necesidad de
amplificadores O/EE/O ptico elctrico A Repetidores elctricos
Retardos Ruido de conversin D 75Km ptico A Amplificadores pticos
EDFA: ganancia en 1.55 m Alta ganancia Rapidez Bajo ruido BOMBEO
Bombeo con lser 980 nm o 1480 nm
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- WDM vs TDM Multiplexacin por divisin en el tiempo Multiplexacin
por divisin en longitudes de onda DWDM: canales ITU-T hasta 40 x 10
GHz
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- Sistema WDM completo
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- Emisores para WDM denso Ajustables por temperatura Ajustables
elctricamente Ajustados por fibra ( Modulacin externa )
interferomtrico electroabsorcin
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- 2 4 6 8 10 199920012003 ao Miles de equipos WDM en 1999 EEUU y
Canad 83% Europa occidental 13% Asia y Pacfico 4% Resto del mundo
0% Larga distancia 91% Corta distancia 7% Empresas 2% WDM en 2003
EEUU y Canad 59% Europa occidental 23% Asia y Pacfico 13% Resto del
mundo 5% Larga distancia 65% Corta distancia 30% Empresas 5% WDM en
cifras Evolucin del WDM WDM SONET/SDH
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- Laseres de cavidad vertical Reflectores de Bragg GaAs/AlAs
Monomodo Haz circular Matrices 2D Acoplamiento a fibra Buses
opticos en 1 a v.
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- array de VCSELs = 850 nm 0.8 mW 200 Mbit/s 10 x 2 canales 4
Gbit/s d max = 300 m array de PDs BER > 10E-14 (1995)
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- Introduccin Fotodetectores Perspectivas y conclusiones Los
diodos lser y sus aplicaciones Los LED: los emisores ms sencillos
Cmaras digitales Fotodidodos de Si: IrDA, sensores y otros
Receptores para fibra ptica
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- Receptores: FO, control remoto Lectores: CD - DVD - cdigo de
barras Sensores: presencia, composicin Monitores: control de lseres
Cmaras: vdeo, visin nocturna TIPOS fotoelctricos trmicos
dispositivos de vaco semiconductores fotoconductores fotodiodos
Fotodetectores cmaras
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- Clulas fotovoltaicas Fotodiodos +- V ph i ph Como batera...
Como detector: i p Fotodiodos (PDs) Optimizar:seal / ruido ( i p, i
0 ) rapidez linealidad
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- Fotogeneracin en una unin PN Z CE : G arrastre n : G difusin
arrastre p : G difusin arrastre recomb. x P opt (1-R) P(x) = P opt
(1-R)e - x G(x) = P(x)/A I(V; ) = I(V;0) - I ph
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- Modo FotoconductivoModo Fotovoltaico Polarizacin inversa
Caractersticas I(V) de los PDs Fotoconductor I V =0 >0 i = i 0
(exp(V/nV T )-1) - i ph v=0 i = - i ph P opt i = - (i 0 + i ph )
i=0 v v T ln(i ph /i 0 )
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- Respuesta espectral de los PDs S (A/W) directos vs. indirectos
lmite cortas visible: 0.4-0.7 m FO: 1.3, 1.55 m Nd:YAG: 1.064 m IR
trmico: 3 - 5, 8 -14 m GaInAs GaAs-IRED : 0.9 m Si otros: InAs,
HgCdTe...
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- Fotodiodos de silicio Ej: PD Epitaxial
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- Aplicaciones Medicin de luz Fotometra Espectrometra Control de
lseres Recepcin o lectura de datos o seal Lectores de CD y DVD
Buses pticos Redes locales Control remoto y comunicacin IR Lectores
de cdigo de barras Optoacopladores Sensores Proximidad
Composiciones Deteccin remota Interferomtricos En gua de onda
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- Comunicacin IR: protocolos IrDA 9600-115 Kb/s (IrDA1.0), y
hasta 4Mb/s (IrDA1.1) Hasta 8 perifricos Bajo coste. Bajo consumo.
Bidireccional LED + PD = 850 - 900 nm t rise < 80 ns P = 0.4
-1250 W / cm 2 d 2 m. BER = 10 -4
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- Fotodiodos para comunicacin slo arrastre rapidez fuera de la
ZCE (iluminacin por detrs) no recomb. superficial OJO: ajuste
parmetros de red GaInAs/InP Rango: 0.9 - 1.7 m
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- Receptores de GaInAs: optimizacin de la f 3dB *= 1- exp(- W) W
< 0.35v / f 3dB A < 0.16W / ( R L f 3dB ) tiempo de carga = R
L C tiempo de trnsito = vW
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- Tecnologa de hibridacin Convencional Tecnologa flip-chip: C y L
parsitas iluminacin por detrs area libre
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- Receptor para comunicacin por fibra ptica PIN de GaInAs/InP IC
Preamplificador de GaAs + Si-IC flip-chip tamao, consumo fiabilidad
Acoplo a fibra SONET OC-48 (2488.32 MHz)
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- Multiplicacin por avalancha Ganancia exp (- e W) e (campo
elctrico) Fotodiodos de avalancha Estructuras SAM Receptores:
GaInAs/InP PDs Aplicaciones de baja seal G (seal) PD GM(ruido) PD
___________________________________ + (ruido) CIRC SNR=
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- Fotodiodos en gua de ondas Ventaja: disociar y posible: f 3dB
>20 GHz Dificultad : acoplar la luz Integracin monoltica con gua
de onda pasiva (gua de entrada) Acoplamiento de campo evanescente a
la gua activa Ejemplo: =1.55 m f 3dB =45 GHz =0.22 A/W (1998)
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- CCD y CMOS Cmaras para IR trmico Introduccin Fotodetectores
Perspectivas y conclusiones Los diodos lser y sus aplicaciones Los
LED: los emisores ms sencillos Cmaras digitales
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- Cmaras CMOS con convertidores A/D en cada pixel (Kodad, Canon,
HP & Intel, 1998) Tecnologa 0.35 um pixels 9um x 9um y 25% fill
factor ventajas: menor ruido, menor consumo, simplificacin del
diseo y fcil escalabilidad Cmaras CMOS
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- Cmaras para el IR trmico 3-6, 8-12 m nocturna Mapas de
temperatura NET refrigeracin
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- Cmaras para el IR trmico Camaras micromecanizadas
Microbolometros Deflexion Sin refrigerar
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- Nuevas ideas Emisores basados en nuevos materiales Lseres de
punto cuantico Lseres de cascada cuantica Detectores inter-subbanda
Fotodiodos y LEDs de cavidad resonante Fotodetectores integrados
Interconexin optica etc...
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- Conclusiones Importancia de los materiales (emisores)
Dispositivos y sistemas Electrnica sencilla Rica fenomenologa
Primaca de los lseres Aplicaciones electrnicas y especficas
Importancia de I+D y mercado