OptoeletrônicaMauricio Pamplona Pires

IF­UFRJ

Optoeletrônica

Física

Opto + eletrônica

Começando pela eletrônica...

Descoberta do transistor

John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley descobriram o efeito transistor e fabricaram o 1o dispositivo em Dezembro de 1947.

Prêmio Nobel de Física de 1956

Bardeen (1908­1991)Shockley (1910­1989)Brattain (1902­1987)

http://www.lsi.usp.br/~chip/como_funcionam.html

http://www.bellsystemmemorial.com/belllabs_transistor.html

Lei de Moore

Gordon MooreCo­fundador da Intel

“O número de transistores em um chip dobra a cada dois anos”

Siegfried Selberherr, Tecnical University Vienna

Mudança de escala de componentes microeletrônicos

O que são semicondutores?Nem condutores nem isolantes...

Resistividade (Ω m) Resistência (Ω) (L=1m, d =1mm)

Alumínio 2.8x10­8 3.6x10­2

Cobre 1.7x10­8 2.2x10­2

Platina 10x10­8 12.7x10­2

Prata 1.6x10­8 2.1x10­2

Germánio 0.45 5.7x105

Silício ≈ 640 ≈ 6x108

Porcelana 1010 ­ 1012 1016 ­ 1018

Teflon 1014 1020

Sangue 1.5 1.9x106

Gordura 24 3x107

L

dRes

istiv

idad

e a

T a

mbi

ente

(Ω.m

)

10­8

10­3

107

1014

Met

ais

Sem

icon

duto

res

Isol

ante

s

Rede do diamante

Rede cristalina do diamante, do silício e do germânio

C, Si ou Ge

Rede cúbica de face centrada

Usados na eletrônica...

Duas redes transladadas de¼ da diagonal central

Cada átomo está ligado a 4 outros

Rede Zincblend

Rede cristalina do GaAs, InP, AlGaAs, InAlAs...

Ga, In, Al

As, P

... e na opto-eletrônica

Metal Isolante Semicondutor

Qual são as nossas necessidades?

http://www.lsi.usp.br/~chip/como_funcionam.html

Hoje a informação é digitalizada…

… enviada numa fibra-ótica…

Código Morse

http://www.lsi.usp.br/~chip/como_funcionam.html

… num código escolhido.

Fontes de luz

Moduladores de luz

Detectores de luz

Fontes de luz

Moduladores de luz

Detectores de luz

Leds

L E D IGHT

MITTING

IODE

Diodo Emisor de Luz

Curva característica de um diodo

V

i

Polarização reversa

Polarização direta

BC

BV

ε

eV0

tipo – p tipo – n

Portadores majoritáriosPortadores minoritários

Corrente de arraste: ia *

Excitação térmica

Corrente de difusão: id *(possuem energia para superar a barreira)

* Atenção: esta corrente na realidade é ao contrário!

Diodo

• Economia:

• “In its report, the Energy Department said that if all conventional incandescent Christmas lights in the United States were replaced with LED lights, annual energy savings would total 2 billion kilowatt­hours ­ enough to power almost 200,000 homes for an entire year”

• "By converting, for instance, in California the 44,000 traffic lightsto LEDs, they can save enough power to power about 90,000 homes"

Laser

LightAmplification by

Stimulated

Emission of

Radiation

3 ingredientes:

Amplificação

AlimentaçãoRe­alimentação

Ex: microfonia

Propriedades:•Luz monocromática•Feixe diracional•Luz coerente

Amplificação: emissão estimulada1 átomo isolado (E2>E1)

Absorção

Emissão espontânea

Emissão estimulada

Antes Depois

(meio de ganho)

=

E2

E1

E2

E1

E2

E1

E2

E1

E2

E1

E2

E1

Espelhos

Funcionamento do LASER

Energia

Emissão espontânea

Energia

Re­alimentação

Energia

Absorção

Energia

Este processo acaba devido as perdas do sistema

Energia

EnergiaEmissão espontânea

Energia

Re­alimentação

Meio de ganho

EnergiaEmissão estimulada

Energia

Re­alimentação

EnergiaEmissão estimulada

Reação em cadeia

Energia

Reação em cadeia até entrar em equilíbrio

Lasers

•CD, DVD, ...•Telecomunicações•Leitura ótica•Metrologia•Defesa

Fontes de luz

Moduladores de luz

Detectores de luz

Modulador de AmplitudeGuiamento ao longo da direção de crescimento

ou ...

O que é o modulador

Luz contínua

Modulador

Modulação elétrica

Modulação ótica

Modula a luz de acordo com uma modulação elétrica

Como isto é feito?

• O efeito Stark quântico confinado muda o espectro de absorção do material

Espectro de absorção

Comprimento de onda da luz

Sem voltagem aplicada

Com voltagem aplicada

1,55 µm

a luz não é absorvida

a luz é absorvida

Para que serve um modulador?

Laser Modulador

Fibra ótica

Detetor

Usuário Usuário

Moduladores

• Aumento da velocidade

• chirp

• Independência da polarização

• Aumento da razão de contraste

f3dB ∝ 1/C ∝ 1/A

αL = ∆n/∆α

∆s = 0

CR ∝ Γ L ∆α

0,75 0,80 0,85 0,90 0,95

­50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550#291 300K800 µW 0.8527 eV (31 meV) 1454 nm

PL

(a.u

.)

Energy (eV)

hν

w

BCe1

hh1

BV

e2

lh2hh2

Propriedades Óticas• Fotoluminescência• Absorção • Fotocorrente• Fotorefletância• Fotoluminescência de excitação

Interação Luz-Matéria

Estruturaeletrônica

λop=1.55µm

λ=1.49µm

O modulador deve ser um bom guia de onda

­2 0 2

­2

0

2

Experimentalprebias = 0 Volts , Bias= 4 Volts

Modulator M665­G5­A

X Axis

Y A

xis

­2 0 2

­2

0

2

Γ=0.05015 WFWHMx

= 1,16 µm WFWHMy

=3.03 µmΓ=0.035 WFWHMx

= 2.19 µm WFWHMy

=3.73 µm

Theory

X Axis

Y A

xis

Fontes de luz

Moduladores de luz

Detectores de luz

λ (µm)

E (eV)

E = hc/λ = 1.24 /λ (µm.eV)

1.010.0100.0 0.1 0.01

1.240.1240.0124 12.4 124

Espectro Eletromagnético

700

nm

400

nm

E= hc/λE= 1240 /λ (eV/nm)E= 1,24 /λ (eV/µm)

Fotodetetores de infravermelho

Aplicações para fotodetectores

• Telecomunicações• Controle ambiental• Visão infravermelha (imageamento)• Segurança industrial• Controle de pragas agrícolas• Medicina• Militar

Lei de Weinλp T = 2898 µm.K

Radiação de corpo negro

Objeto que absorve 100% da radiação incidente.

Objetos frios… (10.6-18.5)

a (92.5-140)

(25-40) a

(200-350)

Infravermelho distante

Absorção gasosa,animais,…

(92.5-140) a

740

5 a

(25-40)

Infravermelho médio

Motores, máquinas de combustão,…

740 a

(3,000-5,200)

(0.7-1) a 5

Infravermelho próximo

O que?Temperatura (K)

Comprimento de onda

(µm)

Região Espectral

Como seria se eu pudesse ver isto?

Absorção atmosférica

Janelas óticas:3.2 a 4.1 µm7.8 a 9.5 µm9.8 a 14 µm

Telecomunicações – Free spaceJanela ótica em 10 µm

Taxa de erro menor que em outras janelas espectrais

Controle de vazamento de gases

Emissor Receptor

Equipamento industrial

Vazamento Interrupção do sinal

Imageamento infravermelho: segurança industrial

300 K ≈ 10 µm

700 K

Turbina:

Contramedida:

2000 K ≈ 1 µm

≈ 4 µm

Medicina:

Defesa:

Tipos de detectores

• Detectores térmicos– Absorção modifica um determinado parâmetro

físico• Bolómetros

– Resistência elétrica

• Baixa sensibilidade• Resposta lenta• Baratos• Operam a 300K• Pouca seletividade

espectral

Tipos de detectores

• Detectores de fótons

Absorção de 1 fóton

Mudança no nível de 1 elétron

Geração de uma corrente elétrica

Dispositivos semicondutores

Como detectar estes comprimentos de onda com semicondutores?

1a idéia:

Transição banda-banda:

hν > Eg

BV

BC

hν

Eg

Campo elétrico

BV

BC

hν

Eg

I

E= hc/λE= 1240 /λ (eV/nm)E= 1,24 /λ (eV/µm)

2a idéia:

Transição intra-banda:

hν = E2­E1

Campo elétrico

BC

hν IE2 – E1

BChν

w

Probabilidade de absorver

Probabilidade do elétron conseguir sair do material

Depende da polarização da luz?

Transição intra-banda em semicondutores III-V

• QWIPs - Quantum Well Infrared Photodetectors

• QDIPs - Quantum Dots Infrared Photodetectors

Como fazer isto?

Transição intra-banda:

hν = E2­E1

Campo elétrico

BC

hν IE2 – E1

BChν

w

Probabilidade de absorver

Probabilidade do elétron conseguir sair do material

Depende da polarização da luz?

Poços quânticos

Confinamento 2DDire

ção

de c

resc

imen

to

Material B

Material BMaterial A

BC

w

E2 – E1

QWIPs

Escolha do material e da estrutura para satisfazer o comprimento de onda desejado

• 10 µm – Poços de GaAs/AlGaAs

• 4,1 µm – Poços de InGaAs/InAlAs

E1

E2

AlxGa1-xAs/GaAs/AlxGa1-xAs

w

2000 1000

2 4 6 8 10 12 14 16

0

10

20

6VSample 930

Photo

curr

ent (

arb

.u.)

Wavelength (µm)

Temperature (K)

300K

GaAs/AlGaAs

2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6,50

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

11001000 900 800 700 600 500

1V

Pho

tocu

rren

t (arb

.u.)

Wavelength (µm)

Sample 897

Temperature (K)InGaAs/InAlAs

E1

E2

300meV

2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6,50

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0 Ambiente controlado Ambiente sem controle

Pho

tocu

rren

t (arb

.u.)

Wavelength (µm)

Sample 897

Absorção de CO2

Detector de CO2

Variação 10% do sinal

• Maior sensibilidade• Maior acoplamento com a luz

– Incidência normal é absorvida !!!

• Menor ruído

Ponto quântico luz IV+

elétron Elétron livre

QDIPs

Questões interessantes:

• Propriedades óticas• Propriedades estruturais

• Parâmetros de crescimento• Dopagem• Matrix

vs.

1.0µm200nm

200nm

1.0µm

Detectores: Alta densidade

+ Alta homogeneidade

AFM

TEM

DWELL - Dot-in-a-WELL - Fotodetectores no IV (intra-banda)

InP

InP

InG

aAs

InG

aAs

InAs

InAs

124 meV

200 Å 200 Å85 ÅQWQW QDQD

InP

InP

Ener

gia

Ener

gia

PosiçãoPosição

BCBC

InPInP

InGaAsInGaAs QWQW

QDQD

Cres

cim

ento

Cres

cim

ento

2 3 4 5 6 7

0

1

2

10 K

Photo

curr

ent (a

.u.)

Wavelength (µm)

DWELL - Dot-in-a-WELL - Fotodetectores no IV (intra-banda)

Nanotecnologia

Qual são as nossas necessidades

reais?