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
Diapositiva 3
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
Diapositiva 4
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:
Diapositiva 5
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
Diapositiva 6
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
Diapositiva 17
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)
Diapositiva 18
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
Diapositiva 19
Laser printer potencia moderada Lseres de AlGaAs
Diapositiva 20
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
Diapositiva 21
Bombeo de lseres de estado slido Aplicaciones de diodos lser de
alta potencia Aplicaciones industriales
Diapositiva 22
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 )
Diapositiva 23
Diodos lser de visible
Diapositiva 24
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
Diapositiva 25
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
Diapositiva 26
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
Diapositiva 27
Emisores para fibra ptica Minimizar atenuacion Minimizar
dispersion Rapidez Eficiencia Fiabilidad Acoplamiento a fibra
Diapositiva 28
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
Diapositiva 29
Emisores para fibra ptica Lseres monomodo Comunicacin ptica a
larga distancia modal espectral Fibras monomodo lseres monomodo en
la fibra dispersin DFB DBR
Diapositiva 30
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
Diapositiva 31
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
Diapositiva 32
Sistema WDM completo
Diapositiva 33
Emisores para WDM denso Ajustables por temperatura Ajustables
elctricamente Ajustados por fibra ( Modulacin externa )
interferomtrico electroabsorcin
Diapositiva 34
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
Diapositiva 35
Laseres de cavidad vertical Reflectores de Bragg GaAs/AlAs
Monomodo Haz circular Matrices 2D Acoplamiento a fibra Buses
opticos en 1 a v.
Diapositiva 36
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)
Diapositiva 37
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
Diapositiva 38
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
Diapositiva 39
Clulas fotovoltaicas Fotodiodos +- V ph i ph Como batera...
Como detector: i p Fotodiodos (PDs) Optimizar:seal / ruido ( i p, i
0 ) rapidez linealidad
Diapositiva 40
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
Diapositiva 41
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 )
Diapositiva 42
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...
Diapositiva 43
Fotodiodos de silicio Ej: PD Epitaxial
Diapositiva 44
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
Diapositiva 45
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
Diapositiva 46
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
Diapositiva 47
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
Diapositiva 48
Tecnologa de hibridacin Convencional Tecnologa flip-chip: C y L
parsitas iluminacin por detrs area libre
Diapositiva 49
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)
Diapositiva 50
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=
Diapositiva 51
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)
Diapositiva 52
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
Diapositiva 53
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
Diapositiva 54
Cmaras para el IR trmico 3-6, 8-12 m nocturna Mapas de
temperatura NET refrigeracin
Diapositiva 55
Cmaras para el IR trmico Camaras micromecanizadas
Microbolometros Deflexion Sin refrigerar
Diapositiva 56
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...
Diapositiva 57
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