Mapa de los diodos láser

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 E_g(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+ 1.42

ESTRUCTURA 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

GaAs

y 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

Poptvelocidad de grabación

• Impresoras láser

Poptvelocidad 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,

lect

LDs de AlGaAs: ilustración de aplicaciones

6.2 LDs rojos (de AlGaInP)

buffer

z

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 nm

o η_v(630nm) < η_v(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

min

de enfoque





(limitado por

difracción)  mejor 650 que 785 nm o Poptvelocidad 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)

E_g(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+ 1.35

ESTRUCTURA 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 1.3m, 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

• f_c 1 – 10 GHz

 minimizar RC (R_L, r_s , Cparas, el área…)

 I_F f_c

 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 n_ef 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:  = (d_m/dT)·T ≈ 0.09nm/ºC  Necesidad de estabilizar T

 Válido para centrar  en _c

 A veces válido para cambiar de canal. (Cuidado: I_th(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(I_TEC)

• Ajustar/estabilizar  en lazo cerrado:

 medir  con el PD_monitor (PPD) y un PD con un filtro (WPD): I_WPD/I_PPD=T_filtro()  cambiar  con el TEC: _m(T) y T(I_TEC)

(o cambiando eléctricamente el n_ef de los reflectores del DBR)

• Moduladores electro-ópticos

 de electroabsorción (EAM), monolítico - basados en QW: E_gef₍₎  _α(V

R)

 Interferométricos, externos (evitar retorno de P_opt 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 A

Amplificadores

ópticos

EDFA: ganancia en

1.55



m

Alta ganancia

Rapidez

Bajo ruido

BOMBEO

Bombeo 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 P_opt  LD de potencia (808 nm)

 láser de Nd-YAG (1064 nm)  doblador de frecuencia

“arrays” y “stacks”

Láseres de muy alta potencia

¿ Cuánta 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

¿ 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 P_opt  área grande

• Alta _P baja J_th , alta _d , baja r_s • Fiabilidad para I_F y P_opt 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 R_th,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

6.7 Láseres de cavidad vertical con emisión por superficie

(VCSELs)

• Reflectores de Bragg

GaAs/AlAs

• Monomodo

• Haz circular

• Matrices 2D

• Acoplamiento a fibra

• P

_o



mW; I

_th



mA

• Buses opticos en 1

a

_v.

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)

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)

Transceptor para 10Gb Ethernet en 850 nm

VCSEL (emisor) + fotodiodo PIN (receptor)

Laseres de cavidad vertical

Ejemplos

850-nm, 10-Gbit/s, directly modulated, VCSEL

Typical: 820 µW ,fc= 7.5 GHz, tr=55 ps

low-cost, very short reach (<300m)

high-speed interconnects

Laseres de cavidad vertical

Ejemplos