Mapa de los diodos láser
LDs de propósito general (de baja y media P
o)
6.1 LDs NIR (750
-
880 nm) de baja y media P
o(AlGaAs)
6.2 LDs rojos (AlGaInP)
6.3 LDs violeta y azules (nitruros)
LDs de altas prestaciones para FO (monomodo, GaInAsP)
6.4 LDs emisores para 2ª y 3ª ventana
6.5 LDs para WDM: estabilización de
6.6 LDs de alta potencia
(AlGaAs y GaInAsP)
6.7 LDs de cavidad vertical: VCSELs (AlGaAs)
Encapsulado de propósito general
6.1 LDs de AlGaAs de baja (y media) potencia
buffer Eg(eV)z
sustrato cladding cladding guía de ondas guía de ondas zona activa para contacto AlGaAs-n(+) AlGaAs-p(+) AlGaAs-p o i AlGaAs-n o i (Al)GaAs -i GaAs -p+ GaAs-n GaAs-n+ 1.42ESTRUCTURA de CAPAS
Ej.: SC-LD o QW-LD con zona activa de AlGaAs
MOTIVACIÓN:
Los más sencillos
• GaAs: directo y sustratos comerc. (
g=880 nm,
NIR)
• AlGaAs: a≈a
GaAsy E
g>E
g,GaAs < 880nm (NIR) para Z.A. de AlGaAs. Típ.:785nm CDs
=880nm para zona activa de GaAs.
( > 880nm para zona activa de GaInAs, tensado)
no visible
• Estructura: DH o SC o QW
• Conf. lateral: ganancia (más sencillo) o índice (menor Ith y mejor haz)
• Cavidad: Fabry-Perot multimodo • Popt,máx
:
Normalmente 5 < Popt < 100 mW • V≈ Eg,cladding/q - 0.3 ó 0.4 V. Típ.: 1.5V• rs 1
APLICACIONES
• Lectores y grabadores de CDs
Poptvelocidad de grabación
• Impresoras láser
Poptvelocidad de impresión
• Comunicación por FO local
: mucha atenuación y dispersión pero fácilmente fc GHz
• Otras (
instrumentación, sensores, ratones ópticos, comunicación óptica en espacio abierto, etc.)RLD78MA
Ver también problemas 6.2 y 6.A1
Lectores/grabadores de CDs
785 nm (NIR)
P ≈ 5 mW (para lectura)
Control en potencia (lazo cerrado)
LD + PD
monitor+ óptica + PDs,
lectLDs de AlGaAs: ilustración de aplicaciones
6.2 LDs rojos (de AlGaInP)
bufferz
sustrato cladding cladding guía de ondas guía de ondas zona activa (Al)GaInP-QW para contacto AlGaInP-n(+) AlGaInP-p(+) AlGaInP-p o i AlGaInP-n o i GaAs -p+ GaAs-n GaAs-n+ESTRUCTURA de CAPAS
Ej.: QW-LD con emisión en 650 nm
MOTIVACIÓN:
visible y
corta
• GaInP con a≈a
GaAs: directo y
g≈ 670 nm (rojo)
• AlGaInP con a≈a
GaAs: Z.A. con
670 nm > g > 630 nmo ηv(630nm) < ηv(670nm)
o directo para 670 nm > g > 580 nm
o pero barreras muy pequeñas para g < 630 nm:
casi tipo II (ver problema 1.13) Ith, To, Popt,máx peores
para → 630 nm
• Estructura: QW o MQW (a veces tensado) para disminuir Ith
• Conf. lateral: índice (o ganancia)
• Cavidad: Fabry-Perot multimodo • Popt,máx
:
Normalmente 3 < Popt < 50 mW • Ith, To y Popt,máx peores para → 630 nm • V≈ Eg,cladding/q - 0.4 V. Típ.: 1.8 V• rs 1
APLICACIONES
• Punteros láser
Ojo: lo que importa es v , no Popt
• Lectores de codígos de barras
• Lectores y grabadores de DVDs
o r
minde enfoque
(limitado pordifracción) mejor 650 que 785 nm o Poptvelocidad de grabación
• Otras (
instrumentación, sensores, etc.)1.42 1.9
Ver problemas 6.4 y 6.A2
Ejemplo de LDs de AlGaInP
LDs rojos: ilustración de aplicaciones
Lectores de
códigos de barras
Punteros
Sensores
Alineamiento
Lectores/
grabadores
de DVD
Dic. 94 Sony y Philips anuncian el MM-DC
En. 95
Toshiba y otros anuncianel SuperDensity
Dic.95
acuerdo: DVD (Digital Versatil Disk)
Abril 97 acuerdos sobre protección de copia
Medio físico:
•
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
650 nm, 5mW
Datos: x 7
6.3 LDs violeta y azules (AlGaInN)
MOTIVACIÓN:
corta (y h
grande)
• Familia de los nitruros:
GaN directo con
g=365 nm (UV)
GaInN: Eg <Eg,GaN , pero a>aGaN
Z.A., pero difícil >450 nm
AlGa(In)N: E
g>E
g,GaN
cladding
• Dificultades:
Sustrato: a≠a
GaN Sustrato de zafiro (aislante) o SiC
estrategias para minimizar dislocaciones
(ej.: crecimiento selectivo)
Difícil: contactos, dopado, etc
• Estructura: QW o MQW tensado (en realidad “puntos cuánticos”) • Estructura tipo mesa:
los dos contactos por la misma cara • Conf. lateral: índice o ganancia
• Cavidad: Fabry-Perot multimodo • (típ.) 400 nm (violeta)
(365 < < 470 nm; UV-azul) • Prevalecen múltiple modos • Popt,máx: 5 < Popt < 100 mW
pero v(400nm)/v,máx 10-3
v
muy pequeño
• To muy buena y Ith buena (para 400 nm) • V≈ Eg,cladding/q - 0.6 V 3.5 V
• rs 10 ; VF 4-5 V
• ½h y ½v pequeñas ( )
APLICACIONES
• Lectores y grabadores de discos ópticos
(“blue ray”).
≈ 405 nm
Ver problemas 6.A4 y 6.A5
Ejemplo de LDs de AlGaInN
La fibra óptica
• Optica guiada n
1>n
2• Atenuación
• Dispersión:
modal y cromática
• “Ventanas para”:
= (
0.9), 1.3 y 1.55
m
6.4 LDs emisores para 2ª y 3ª ventana (GaInAsP)
Eg(eV)z
sustrato cladding y buffer cladding guía de ondas guía de ondas zona activa GaInAs(P)-QW para contacto InP-n(+) InP-p(+) GaInAsP-p o i GaInAsP- n o i GaInAs -p+ InP-n+ 1.35ESTRUCTURA de CAPAS
GaInAsP/InP QW-LD
MOTIVACIÓN:
comunicación por FO a alta velocidad y larga distancia
Atenuación: mínima en
1.55
m (3ª ventana)
(y pequeña en 1.3m, 2ª v.)
Dispersión: - modal ···
fibras monomodo
(núcleo muy estrecho, solo 1 modo)- espectral ···
- necesidad de
muy pequeña
LD monomodo
- dc/d
mínima para 1.3
m (2ª v.)
(y pequeña en 3ª v.)
LD:
(1)en 1.3 o 1.55
m
, (2)monomodo
, (3)acoplable a FO monomodo
, (4)f
c
GHz’s
(o con GaInAsP/InP DFB oDBR buen haz (conf. Por índice) modulación externa)
0.8 o 0.95
• Estructura: QW o MQW (a veces tensado) para disminuir Ith
• Conf. lateral: por índice
• A veces con estrategias de micro-óptica (para mejor acoplamiento a FO monom.)
• Cavidad: DFB (o DBR) monomodo
• = muy pequeño en cw (pero armónicos al modular)
• Popt,máx
:
Normalmente 3 < Popt < 100 mW • V≈ Eg,InP/q - 0.3 o 0.4 V 1 V• fc 1 – 10 GHz
minimizar RC (RL, rs , Cparas, el área…)
IF fc
otra posibilidad: modulación externa
Emisores para fibra óptica
Aspectos sobre la cavidad óptica
DFB
DBR
Inserción en fibra
• alineamiento
• acoplamiento
• estrategias de micro-óptica
Cavidades monomodo
(DFB, DBR u otras)
butterfly
14 pin DIL
coaxial
LD encapsulados
y transmisores
para FO
6.5 LDs para WDM: estabilización de
MOTIVACIÓN: WDM
• WDM =multiplexación en . (DWDM = WDM denso)
N canales físicos c en la FO, con c=1-N. (4≤N≤40). 3ª ventana
Espaciado: c+1-c = 100 GHz (o 50 GHz) c-c+1 ≈ 0.8nm (o 0.4 nm)
• Ventajas: • Aumenta la capacidad de la FO existente
• Un solo amplificador óptico para varios canales
• Requisitos(además de los de 6.4): m muy estable
m ajustable a c
Causas de
variación de Soluciones Aparición de
armónicos
Ninguna determina el mínimo espaciado de para una f dada Variación de T controlar T (o mejor ) en lazo
cerrado
Envejecimiento controlar en lazo cerrado Variación del nef de la cavidad con n(t) “chirp” LD en cw + modulador (LD con BR externo) Tb. facilitan la estabilización de T
•
= (
2/c
o)
·
• Aparición de armónicos: Ej: 10 Gb/s f1=5 GHz 1os armónicos en f 1 1=10 GHz , y 5=50 GHz (5º arm.) • Variación de con T: = (dm/dT)·T ≈ 0.09nm/ºC Necesidad de estabilizar T
Válido para centrar en c
A veces válido para cambiar de canal. (Cuidado: Ith(T) con forma de U).
Estabilización de
: soluciones
• Ajustar/estabilizar T en lazo cerrado:
medir T con un termistor: R(T) cambiar T con un TEC: T(ITEC)
• Ajustar/estabilizar en lazo cerrado:
medir con el PDmonitor (PPD) y un PD con un filtro (WPD): IWPD/IPPD=Tfiltro() cambiar con el TEC: m(T) y T(ITEC)
(o cambiando eléctricamente el nef de los reflectores del DBR)
• Moduladores electro-ópticos
de electroabsorción (EAM), monolítico - basados en QW: Egef() α(V
R)
Interferométricos, externos (evitar retorno de Popt al LD)
LD con control de T en lazo cerrado para ajuste en c (Prob. 6.6)
LD en cw con control de en lazo cerrado mediante cambio de T con ajuate a 4 canales (Prob. 6.A10)
6.6 LDs de alta potencia
Bombeo de amplificadores
ópticos para FO (EDFAs)
Bombeo de láseres de
estado sólido .
Aplicaciones sin
requerimiento de
Aplicaciones con
requerimiento de
Ej.: soldadura
Amplificadores opticos
Fibra óptica dopada con erbio (EDF)
• Comunicación óptica a larga distancia
atenuación
necesidad de amplificadores
O/E E/O
óptico eléctrico óptico
A
Repetidores
eléctricos
Retardos
Ruido de conversión
D
75Km
óptico AAmplificadores
ópticos
EDFA: ganancia en
1.55
m
Alta ganancia
Rapidez
Bajo ruido
BOMBEOBombeo con láser
980 nm o 1480 nm
SSLs. Ej.: Nd-YAG
• Aislante
bombeo óptico
• Niveles (no bandas)
pequeña
• Para Nd-YAG :
λ
pump= 808 nm , λ
láser=1064 nm
• Mejor calidad del haz que los LDs
Bombeo de láseres de estado sólido (SSL)
Punteros verdes: 532 nm, 5-150 mW batería + circuito con control en Popt LD de potencia (808 nm)
láser de Nd-YAG (1064 nm) doblador de frecuencia
“arrays” y “stacks”
Láseres de muy alta potencia
¿ Cuánta P
optpueden 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
¿ Qué hay que optimizar ?
Estructura (
QW tensados
, r
s«,.. )
Fiabilidad (
recubrir los espejos
)
Disipación térmica
LD bars
6.6 LDs de alta potencia
Requerimientos
• Alta Popt área grande
• Alta P baja Jth , alta d , baja rs • Fiabilidad para IF y Popt grandes
tecnología robusta
evitar autocalentamiento
Aplicación Requerimientos específicos
Bombeo de EDFAs
• pump = 980 nm o 1480 nm • Acoplable a FO
monomodo • Estable en
conf. por índice
DBR o con BR en la fibra TEC Bombeo de láseres de estado sólido. (ej. Nd-YAG, = 1064 nm) • pump = 808 nm (para Nd-YAG)
a veces “arrays” o “stacks”
a veces modos transversales superiores FP y múltiples modos long.: grande conf. por ganancia
Baja Rth,JA . A veces, refrigeración Aplicaciones de
“potencia bruta”
• Materiales:
808 nm: AlGaAs, con ZA de AlGaAs (o AlGaInAs) 980 nm: AlGaAs, con ZA de GaInAs
1480 nm: GaInAsP • Estructura de capas:
QW o MQW, con frecuencia tensado Esquemas semejantes a los de 6.1 y 6.3