rda wiata Pprzewodnikowe emitery wiata dr hab in

Źródła światła Półprzewodnikowe emitery światła dr hab. inż. Ryszard Korbutowicz Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechnika Wrocławska

2 Emitery światła (półprzewodnikowe) Dwa rodzaje źródeł promieniowania świetlnego: * diody elektroluminescencyjne DEL (LED), * lasery LD. Diody wytwarzają światło niespójne. Lasery wytwarzają światło spójne (zgodne w fazie i energii).

3 Emitery światła — DEL — definicja DEL — Dioda Elektro. Luminescencyjna (ang. LED) — dioda półprzewodnikowa emitująca strumień fotonów w wyniku zamiany energii elektrycznej na promienistą. Jest to półprzewodnikowe źródło elektromagnetycznego promieniowania widzialnego, podczerwonego lub ultrafioletowego. Jest to przyrząd pracujący z wykorzystaniem złącza p-n oraz dwóch rodzajów nośników (bipolarny).

4 Emitery światła — laser — definicja Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation wzmacnianie światła przez wymuszoną emisję promieniowania.

5 Cechy diod elektroluminescencyjnych Różne rodzaje diod LED (przykładowy podział): 1) ze względu na materiał: homozłączowe oraz heterozłączowe, 2) ze względu na kierunek wyprowadzenia światła względem płaszczyzny złącza p-n: a) powierzchniowe, b) krawędziowe, 3) ze względu na zastosowania: sygnałowe, do sprzęgania ze światłowodami czy oświetleniowe.

6 Cechy diod elektroluminescencyjnych * Dioda elektroluminescencyjna emituje światło o mocy narastającej w przybliżeniu liniowo ze wzrostem prądu zasilania. Dlatego diody są dobrym źródłem światła dla modulacji analogowej. * Nieliniowość wynika z typu diody. * Po przekroczeniu pewnej wartości mocy emisji obserwuje się charakterystyczne nasycenie.

7 Cechy diod elektroluminescencyjnych * Emisja spontaniczna jest nieuporządkowana; zachodzi w różnych kierunkach, kąt rozbieżności jest zwykle większy od 20°. * LED emituje dość szerokie widmo ciągłe z_pewnego przedziału długości fali — ok. 20 nm. * LED emituje małą moc sygnału — znacznie poniżej 100 miliwatów. * Dużo niższy koszt w porównaniu z laserem półprzewodnikowym.

8 Zastosowania diod DEL: * realizacja tanich łączy dla sieci LAN, czyli niezbyt odległej oraz niezbyt szybkiej transmisji (w połączeniu ze światłowodami wielomodowymi lub polimerowymi), * sygnalizacyjne (sygnałowe) — wskaźniki, * w systemach czujników (np. fotokomórka), * oświetlenie (zespoły i matryce diod), * ….

9 Struktury diod W telekomunikacji światłowodowej zastosowanie znalazły trzy spośród kilku możliwych struktur diod elektroluminescencyjnych: * dioda powierzchniowa, * dioda krawędziowa oraz * dioda superluminescencyjna.

10 Diody luminescencyjne

11 Dioda superluminescencyjna biheterozłączowa DH LED

12 Dioda superluminescencyjna — cechy charakterystyczne * Moce świetlne są dużo większe niż w innych diodach dzięki wzmocnieniu optycznemu. * Emitowane światło skupione jest w małym kącie. * Mniejsza szerokość linii widmowej dzięki emisji wymuszonej. * Pasmo modulacji jest z reguły większe niż innych diod. * Moce wprowadzane do światłowodów są porównywalne z mocami wprowadzanymi przez lasery półprzewodnikowe, ale wymagane są znacznie większe natężenia prądów.

13 Resonant Cavity Enhanced RCE (wzmocnienie dzięki wnęce rezonansowej)

14 Rezonator RCE Zależność współczynnika odbicia R reflektora Bragga od ilości dwuwarstw Ga. As/Alx. Ga 1 -x. As. Parametrem jest zawartość glinu x w warstwie Alx. Ga 1 -x. As.

15 Charakterystyki diod RCE

16 Stan technologii LED Firma Cree oferuje handlowo diody wykonane w technologii Cree True. White®: * wydajność do 130 lm/W, * CRI — 90+ * temperatura barwowa — ciepła lub zimna

17 Ewolucja wydajności świetlnej LED — prawo Craforda * Wydajność LED wzrasta 10 -krotnie w okresie 10 lat * LED z In. Ga. N/Ga. N otworzyły nową ścieżkę rozwoju

18 Prawo Haitza skala logarytmiczna Strumień emitowany z LED podwaja się co 2 lata. W tej dekadzie co 18 miesięcy!

19 Prawo Haitza

20 http: //zeisscampus. magnet. fsu. edu/articles/lightsources/tungstenhalogen. html https: //micro. magnet. fsu. edu/primer/lightandcolor/lightsourcesintro. html

21 Zamiast podsumowania Moc lampy [W] Strumień [lm] 15 90 -120 25 200 -375 40 400 -600 60 600 -900 75 940 -1120 100 1360 -1500 150 2000 -2250 200 3040 300 4850 500 8300 P(W) = ΦV(lm) / η(lm/W) 1) Kwestia wydajności (sprawności) 2) Kwestia konstrukcji lampy 3) Kwestia konstrukcji oprawy

22 Lasery

23 Rodzaje laserów 1. lasery gazowe atomowe, np. He-Ne 2. lasery gazowe molekularne, np. N 2 -CO 2 -He 3. lasery gazowe jonowe, np. Ar+ 4. lasery krystaliczne czyli na ciele stałym, np. rubinowy, YAG 5. lasery szklane (dielektryczne), np. neodymowy 6. lasery półprzewodnikowe, np. Ga. As-Al. Ga. As 7. lasery barwnikowe, np. z roztworem rodaminy 8. lasery chemiczne, np. wykorzystanie reakcji syntezy wzbudzonego HF lub DF do pobudzenia ośrodka czynnego 9. lasery światłowodowe

24 Rodzaje laserów Lasery w zależności od rodzaju i budowy mogą emitować promieniowanie: * w sposób ciągły i o mocy od kilkudziesięciu mikrowatów do kilku kilowatów, * w postaci pojedynczych impulsów o czasie trwania od milisekund do pikosekund i mocy odpowiednio od kilowatów do terawatów (systemy laserowe), * w postaci ciągu impulsów o częstotliwości powtarzania od kilkudziesięciu Hz do kilkudziesięciu MHz.

25 Emitery światła — laser — definicja * Laser — kwantowy generator optyczny prawie spójnego promieniowania elektromagnetycznego * Możliwość pracy (różnych laserów) w zakresie od dalekiej podczerwieni do ultrafioletu * Generacja światła dzięki wymuszonej emisji promieniowania w ośrodku po odwróceniu (inwersji) obsadzeń Pytania: * co to jest inwersja obsadzeń? * w jakich warunkach zachodzi inwersja obsadzeń?

26 Laser — definicja Części składowe każdego lasera: * ośrodek czynny (rodzaj ośrodka nieistotny), * rezonatora optycznego, * układ pompujący.

27 Laser — definicja Promieniowanie rozchodzące się wzdłuż osi optycznej rezonatora ulega wzmocnieniu w procesie emisji wymuszonej dzięki odbiciom od zwierciadeł rezonatora. Gdy wzmocnienie optyczne jest większe od strat optycznych występujących w rezonatorze otrzymuje się generację promieniowania.

28 Laser — wnęka — definicja Rezonator Fabry’go-Perota — rodzaj wnęki optycznej, w której zachodzi interferencja fal optycznych. Składa się ona z dwóch zwierciadeł, z których jedno jest całkowicie odbijające, a drugie półprzepuszczalne dla emitowanego przez laser promieniowania. INTERFERENCJA FAL — wzajemne osłabianie się (niekiedy aż do całkowitego wygaszenia) lub wzmacnianie 2 lub więcej fal (np. fal świetlnych) tej samej częstotliwości wskutek ich nakładania się. PWN

29 Laser — wnęka — definicja Zwierciadła lasera tworzą wnękę optyczną, która może pracować tylko dla tych długości fali promieniowania, dla których powstaje między zwierciadłami fala stojąca. Promieniowanie odbite zapewnia dodatnie sprzężenie zwrotne konieczne do podtrzymania oscylacji, a promieniowanie przechodzące przez półprzepuszczalne zwierciadło jest emitowane na zewnątrz w postaci wiązki.

30 Laser — wnęka — fala stojąca Fala stojąca w ośrodku stacjonarnym. Punkty oznaczają węzły fali. Fala stojąca (czarna) będąca złożeniem dwóch fal biegnących w tym samym kierunku, ale o przeciwnych zwrotach (czerwona oraz niebieska). FALA STOJĄCA, fala powstała w wyniku interferencji 2 fal o jednakowej częstotliwości rozchodzących się w przeciwnych kierunkach (np. fal bieżącej i odbitej). PWN

31 Zasada działania lasera — emisja wymuszona Praktyczna realizacja — 1957 r. Laser półprzewodnikowy — 1962 r. Einstein — 1917 r. Obsadzenia równowagowe termiczne Inwersja obsadzeń

32 Lasery półprzewodnikowe

33 Lasery półprzewodnikowe, czyli kwantowe generatory optyczne są laserami złączowymi (najczęściej), w których ośrodkiem czynnym (aktywnym) jest półprzewodnik. Odwrócenie obsadzeń poziomów energetycznych, (inwersję) czyli pompowanie uzyskuje się dzięki wstrzykiwaniu mniejszościowych nośników ładunku za pomocą złącza p-n (lub heterozłącza) spolaryzowanego w kierunku przewodzenia. Przekrój obszaru czynnego w krawędziowym laserze półprzewodnikowym ma w płaszczyźnie zwierciadeł kształt w przybliżeniu prostokątny.

34 Charakterystyka kierunkowa Kształt charakterystyki kierunkowej promieniowania zależy od: * modów pola elektromagnetycznego wzbudzonych we wnęce optycznej lasera oraz * od rozmiarów wnęki. Dyfrakcja promieni światła!

35 Konstrukcja lasera (diody laserowej)

36 Mody lasera Rodzaje modów laserów półprzewodnikowych * mody wzdłużne (podłużne, osiowe), * mody boczne, * mody poprzeczne.

37 Równanie modów lasera W wypadku wzbudzania się w rezonatorze jedynie osiowych modów podłużnych równanie modów redukuje się do postaci: ,

38 Równanie modów lasera a odległości między kolejnym modami na charakterystyce widmowej dane są zależnością: Dla typowego rezonatora Ga. As (długość L = 400 µm), wynosi około 0, 25 nm (dla 300 K). Pytanie: o czym mówi i co to jest?

39 Akcja laserowa — warunki Do zaistnienia akcji laserowej konieczne jest spełnienie warunków: 1) Wzmocnienie optyczne musi równoważyć straty w rezonatorze. 2) Promieniowanie musi mieć charakter promieniowania koherentnego czyli spójnego, a więc rozchodzącego się z taką samą częstotliwością i fazą. 3) Prąd zasilania musi mieć odpowiednie natężenie, zwane prądem progowym Ith (a tak naprawdę istotna jest gęstość prądu płynącego przez obszar czynny).

40 Prąd progowy (gęstość prądu) lasera Bardzo prosta definicja: Prąd progowy (gęstość prądu) lasera Ip (Ith) jest to natężenie prądu zasilającego laser, przy którym występuje wzbudzenie lasera. Jednostką jest A/cm 2. Natężenie prądu progowego jest m. in. funkcją: – pola powierzchni obszaru czynnego A, – strat na absorpcję wewnątrz wnęki rezonansowej i, – współczynnika absorpcji półprzewodnika 0, – grubości obszaru czynnego d, – wewnętrznej sprawność kwantowej i, – długości rezonatora L, – współczynnika odbicia zwierciadeł R.

41 Charakterystyka emisyjna lasera (główna charakterystyka optyczna lasera) 1 2 Ith - prąd progowy, d - przyrostowa zewnętrzna sprawność kwantowa P = f(I) Dwie części charakterystyki: 1) emisja spontaniczna 2) emisja stymulowana

42 Sprawność kwantowa przyrostowa zewnętrzna Stosunek przyrostu liczby fotonów składających się na emitowany przez laser strumień spójnego promieniowania do przyrostu liczby nośników ładunku przepływającego przez złącze p-n, gdzie: — strumień promieniowania spójnego, I — natężenie prądu płynącego przez laser. Miarą sprawności przyrostowej kwantowej lasera jest nachylenie charakterystyki emisyjnej powyżej progu wzbudzenia. Sprawność kwantowa przyrostowa d maleje wraz ze wzrostem temperatury obszaru czynnego.

43 Szerokość połówkowa FWHM (Full Width at Half Maximum)

44 Widmo rezonatora Fabry’ego-Perota Mody podłużne generowane przez rezonator F-P: L=m /2 nr i m=mc/2 Lnr gdzie: m — częstotliwość generowanych modów. Różnica częstotliwości między poszczególnymi modami podłużnymi (dla m = 1): = c/2 Lnr (separacja częstotliwości) Jeśli L maleje, to ilość modów też maleje, bo rośnie. Pytanie: jaki ma to wpływ na konstrukcje laserów?

45 Porównanie charakterystyk DEL i LD

46 Konstrukcje laserów półprzewodnikowych

47 Konstrukcje laserów Struktury laserów złączowych: HJ — homozłączowa, SH — monoheterozłączowa, DH — bihetrozłączowa. n i p oraz N i P przewodnictwo typu elektronowego i dziurowego materiałów odpowiednio: o węższej (n, p) oraz szerszej przerwie energetycznej (N, P), i — materiał niedomieszkowany

48 Konstrukcje laserów

49 Konstrukcje laserów

50 Konstrukcje laserów

51 Tworzenie heterozłącz Podwójne heterozłącze P – p - N

52 Tworzenie heterozłącz Podwójne heterozłącze P – p - N

53 Laser paskowy – rozpływ prądu a) ROZPŁYW PRĄDU Ic = Ie + 2 I 0 b) UKŁAD WSPÓŁRZĘDNYCH

54 Charakterystyka promieniowania paskowych laserów biheterozłączowych DH Przypomnienie W rezonatorach prostopadłościennych mogą powstać mody; * poprzeczne, * wzdłużne, oraz * boczne.

55 Konstrukcje laserów paskowych

56 Lasery DFB i DBR Struktura warstwowa lasera biheterozłączowego: a) z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym DFB, b) z rozłożonymi zwierciadłami braggowskimi DBR.

57 Charakterystyki widmowe laserów paskowych a) z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym DFB, b) z rezonatorem Fabry ego-Perota

58 Struktura lasera z kwantowym obszarem czynnym

59 Rezonator RCE (przypomnienie) Zależność współczynnika odbicia R reflektora Bragga od ilości dwuwarstw Ga. As/Alx. Ga 1 -x. As. Parametrem jest zawartość glinu x w warstwie Alx. Ga 1 -x. As.

60 Laser VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) Typowa struktura lasera VCSEL, wykonana na bazie heterostruktury Ga. As/Alx. Ga 1 -x. As/Al. As

61 Laser VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser)

62 Laser VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser)

63 Laser VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser)

64 Wydajność konwersji lasery półprzewodnikowe > 50 % lasery gazowe < 1% LED do 10 % żarówka ~n • 1%

65 Rodzaje laserów półprzewodnikowych Lasery półprzewodnikowe: * bipolarne — przejścia międzypasmowe (z rekombinacją par elektron-dziura) * unipolarne — przejścia międzypodpasmowe (bez rekombinacji par elektron-dziura)

66

67 Lasery półprzewodnikowe unipolarne kaskadowe

68

69 Lasery kaskadowe * źródła promieniowania spójnego z zakresu średniej oraz dalekiej podczerwieni * potencjalnie duża moc emitowana * potencjalnie duża niezawodność * custom designed product

70 Lasery kaskadowe — zastosowania # Ochrona środowiska i monitorowanie zanieczyszczeń (w tym LIDARy — Ligth Detection and Ranging) # Kontrola procesów przemysłowych # Motoryzacja: * kontrola spalin, diagnostyka katalizatorów * sterowanie pojazdami, radary zapobiegające kolizjom # Medycyna — analiza oddechu, wczesne wykrywanie raka okrężnicy, wrzodów, itp. # Militarne i wymuszanie przestrzegania prawa

71 Diody laserujące (LD) Lasery (LD) - lasery FP - lasery DFB i DBR - lasery VCSEL - lasery światłowodowe

72 Koniec emiterów