PRH Transmisores en Comunicaciones Ópticas Paloma Rodríguez Horche Dpto. de Tecnología Fotónica E.T.S.I. Telecomunicación Universidad Politécnica de Madrid PRH • Introducción: – Requerimientos – Visón Histórica – Interacción Radiación-Materia – Concepto general del Láser: Resonador F-P – Propiedades de la radiación • Conceptos básicos de Semiconductor • Unión p-n – Materiales de semiconductor • Láseres de Semiconductor • LED • Características de Emisión LED-LD • Módulos de Transmisión Índice
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Transmisores en Comunicaciones Ópticasgarciaargos.com/descargas/apuntes/5curso... · Eg1 y Eg3 > Eg2 n1 y n3 < n2 contacto p-material n-material Región activa x y z I W (lar
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Transcript
PRH 1
PRH
Transmisores enComunicaciones Ópticas
Paloma Rodríguez HorcheDpto. de Tecnología Fotónica
E.T.S.I. TelecomunicaciónUniversidad Politécnica de Madrid
PRH
• Introducción:– Requerimientos– Visón Histórica– Interacción Radiación-Materia– Concepto general del Láser: Resonador F-P– Propiedades de la radiación
• Conceptos básicos de Semiconductor• Unión p-n
– Materiales de semiconductor• Láseres de Semiconductor• LED• Características de Emisión LED-LD• Módulos de Transmisión
Índice
PRH 2
PRH
Transmisores: conversores electro-ópticosTipos:
• Light Emitting Diode (LED)• Laser Diode (LD)
Requerimientos:• Alta potencia en la fibra:
• Compatibles con el acoplamiento de la luz en la fibra (altamente direccional)
• Alta velocidad de modulación• Salida estable• Longitud de onda compatible con la transmisión en
fibra• Espectro de emisión estrecho para minimizar
dispersión en fibra• Debe seguir exactamente a la señal eléctrica
• Conversión E/O: lineal (analógicos), sin ruido• Baja dependencia con la temperatura• Otras características: tamaño, precio, fiabilidad...
Requerimientos
CIRCUITO DEATAQUE Y
POLARIZACIÓN LEDo
LD
F. O.
V
PRH
Visión Histórica: Cuerpo Negro
λmáx
T1
T2
T3
λ
ρ(λ)
dλ
Rayleigh-Jeans
λmáx· T ≈ cte
Planck Ec.e
hc kT
h 1
8)( 3
2
−⋅= ν
νπνλρ
h = 6,626 · 10-34 J.s → cte de Planck
hν → Energía del un FOTÓN
E = n hν n ∈ N
1−=
kTh
e
hννεEnergía media → Estadística de Boltzmann
k = 1,38 ·10-23 J/K→ cte de Boltzmann
PRH 3
PRH
Absorción
Emisión Espontánea
Emisión Estimulada
Interacción Radiación-Materia
E2, N2
E1, N1
PRH
Absorción
Emisión Espontánea
Emisión Estimulada
E2, N2
E1, N1
Coeficientes de Einstein (I)
dtdNNB
dtdN 1
1122 )( −== νρ
Velocidad de los procesos
1er Coef. de Einstein
dtdNNA
dtdN 1
2212 −=−=
2º Coef. de Einstein
dtdNNB
dtdN 1
2212 )( −=−= νρ
3er Coef. de Einstein
PRH 4
PRH
Coeficientes de Einstein (II)
dtdNNBNANB
dtdN 1
2212211122 )()( −=−−= νρνρ
0 equilibrio En 2 =→dt
dN kTh
eBA
BNN ν
νρνρ −
=+
=)(
)(
2121
12
1
2
Ec. Boltzmann
despejando 1
1)(/
21
1221
21
−⋅⋅=
kTheBBB
Aν
νρ y comparando con la Ec. de Planck
B12= B21 3
3
12
21 8cB
A πν=
PRH
Coeficientes de Einstein: Conclusiones En equilibrio → 1
Concepto General de LáserLASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Energía (bombeo):óptico o inyección de corriente
Medio con ganancia(inversión de población)
Realimentación:cavidad resonante (Fabry-Perot)
⇒ OSCILACIÓN LÁSER
BOMBEO
realimentación
I I’ > I Iout
MEDIO ACTIVOg > 0
PRH
Cavidad Resonante Fabry-Perot
R
Z = 0 Z = L
R
Espejos
E2
E0
L
π
α
ω
2m=2kL:
1
:)(),(
)1()1(
)2()(20
)(
2
2
FASE
eeREE
oscilacióndeCondiciónezAtzE
nnR
kLjLg
kztj
in =⇒=
=
+−
=
−−
−
mLneff
m2λ =
Lnmc
effm 2
ν =
nk eff2
λπ
=Póptica
ν
gpérdidas ganancia = pérdidas
bombeo
PRH 6
PRH
Propiedades de la Radiación Láser
• Coherencia:
• Direccionalidad: Divergencia
• Monocromaticidad
Espacial Enfoque Temporal Espectro
Fuente Espejo
PRH
Conceptos básicos de semiconductor
Índice• Bandas de Energía• Diagramas E-k• Gap directo e indirecto• Ocupación de las bandas• Interacción Radiación-Materia• Espectro de ganancia y emisión
Confinamiento de portadores en la zona activa: diseño de “d”
Guía-onda en la dirección vertical: Confinamiento de luz
Eg1 y Eg3 > Eg2
n1 y n3 < n2
contacto
p-material
n-material
Regiónactiva
x
y
zI
W
L (largo de la cavidad)
12
3
Índicerefracción
Modo óptico
∆n
energía
CBVB
bandgap
elec
trons
hol e
s
PRH 14
PRH
Condición Umbral
α 1ln1:RL
gMÓDULO inth
+=
α
ω
1
:)(),(
3.0)1()1(
)2()(20
)(
2
2
eeREE
oscilacióndeCondiciónezAtzE
nnR
kLjLg
kztj
in =⇒=
=
≈+−
=
−−
−
R
REGION ACTIVA
Bombeo:CORRIENTE
Caras Pulidas
Z = 0 Z = L
R
Medio con Ganancia
ESPEJOS
E2
E0
L
FASE 2knL = 2mπGANANCIA OPTICAg = α
α (cm-1) = Absorción
PRH
Modos Longitudinales
Ln
mLn
Lnc
Lnmc
nk
eff
effm
eff
effm
eff
2
2
2
2
2
2λλ
λ
ν
ν
λπ
=∆
=
=∆
=
=cavity losses
carrierdensity
0Wavelength (µm)
longitudinalmodes
lasing mode
Gai
n
PRH 15
PRH
Potencia-portadores-corriente (I)
dn
dt
I
e Vact
- R (n) (m-3 s-1) = Variación de Portadoresτsp → Tiempo de vida de emisión espontánea (radiativo y no-radiativo)C → Coef. que incluye coef. de Einstein
Pérdida de e- en B.C por E. Estimulada
Pérdida de e- en B.C por E. Espontánea
dn
dt
I
e Vact=
nτsp
c n φ
Incremento de e- en B.C
Variación de Densidad de Fotones
Fotones producidos por E. Estimulada Fracción de fotones producido por E. espontánea
Decremento de fotones por pérdidas en la cavidad
τph→ tiempo de vida de un fotón
phsp
ncndtd
τφ
τδφφ
−+=
PRH
Potencia-portadores-corriente (II)
Valor Umbral de portadores
Régimen Estacionario, con ganancia
δ ≈ 0
0≥dtdφ
phth c
nτ1
=c n – (1/τph) ≥ 0 ⇒
I
nth
n
Ith
Régimen Estacionario, sin ganancia:
I = e Vact (1/τsp) n
Ith = e Vact (nth/ τsp)
φ ≈ 0
0=dtdn
PRH 16
PRH
Potencia-Portadores-Corriente (II)
)( 00 SnngII thth
(W/A): EfficiencySlopeslopeη
−+=
nqVItot
thactth τ
=
)( 00 φsnngnqVItot
act τ
−+=
I
n nth
I
P
Ith
ηslope
Régimen Estacionario con φ = φs →
sthsp
th
act
cnnqV
Idtdn φ
τ−−== 0
τphφs = (I – Ith)
q
I < Ith ⇒I = q Vact [n/τsp]φ ≈ 0; Popt ≈ 0
I > Ith ⇒n = nthP = ηslop (I - Ith)
PRH
Relación Ganancia – Umbral de Portadores
gP = g0 (n –n0)α Coeficiente de absorción del semiconductor sin inyección