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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