laser semicondutor (bruno)
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This presentation aim to show the functionalities of a Semiconductor laser.TRANSCRIPT
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Laser semicondutor
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Contexto histrico; Princpios de estado slidoMontagem de um laser semicondutorParmetros laser;Tipos de laser;Benefcios na utilizao de laser semicondutor;Problemas e correes;Aplicaes;Estatstica comercial;ndice
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1957-1961- Idias acerca da obteno de emisso estimulada em semicondutores, com teorias no totalmente fundamentadas, surgem em vrias partes do mundo;
1962- Dr. Gunther Fenner, membro do time encabeado pelo Dr. Robert N.Hall no General Electric Research Development Center em Schenectady, New York, operou o primeiro Laser de semicondutor (usando juno GaAs).
Trinta dias aps, trs outros laboratrios nos EUA, independentemente, demonstraram suas prprias verses de lasers semicondutores (todos usando junes GaAs):
Dr. Nick Holonyak, no General Electrics Syracuse, New York;
Dr. Marshall I. Nathan no IBM Research Laboratory, Yorktown Heights, New York;
Dr. Robert Rediker no MIT Lincoln Laboratory, Lexington Massachusetts.
W.P.Dumke, da IBM, faz a anlise terica decisiva acerca da obteno da inverso de populao em lasers semicondutores.
Contexto histrico
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Conceitos de estado slidoSemicondutor: Um material que se comporta como condutor ou isolante dependendo da temperatura a que est sujeito. Apresentam energia de Gap muito pequena (~1eV).
Banda de Valncia: a ltima banda de energia ocupada por eltrons. Leva este nome pois este orbital atmico que define a valncia do elemento qumico.Banda de conduo: o prximo nvel energtico permitido, acima da banda de valncia. Nesta regio os eltrons so considerados eltrons livres, podendo, portanto, se movimentar no material formando a corrente eltrica.
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Dopagem:Adio de impurezas qumicas elementares em elemento qumico semicondutor puro com a finalidade de dot-los de propriedades de semiconduo controlada especfica.Semicondutor do tipo P = Apresenta excesso de cargas positivas (interpreta-se um buraco como uma carga positiva).
Semicondutor tipo N = Excesso de cargas negativas.A dopagem pode :Afetar estrutura de bandas, introduzir estados permitidos na banda de conduo, afetar a distribuio de Fermi e a condutividade do material.
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Junes P-NQuando juntamos um material P com um N, geramos uma difuso entre essas regies. O potencial da juno est relacionado a quantidade de cargas acumuladas atravs de:p= lacunas,
n = Eltrons livres,
Nd+=tomos doadores ionizados
Na-=tomos aceitadores ionizados
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Diferenas bsicas entre lasers de semicondutor e lasers pticos tradicionais:SemicondutoresLasers tradicionaisOcupao dos nveis de energia descrita por uma funo-distribuio Fermi-Dirac;Ocupao dos nveis de energia descrita por uma funo-distribuio De Boltzmann; A caracterstica espacial da onda eletromagntica gerada depende do meio de juno. A caracterstica espacial da onda eletromagntica gerada depende de caractersticas do ressonador ptico.
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Montagem de um laser semicondutor
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Parmetros laserBombeamento: Corrente eltrica ou bombardeamento via eltrons energticos; Ganho: corrente de Threshold: Coeficiente de Absoro: Potncia de sada da cavidade
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Equaes de taxaOnde: n(x,y,z) a densidade de eltrons;J(x,y,t) a densidade injeo de corrente;E a carga do eltron;Si o nmero de ftons no ith modoi(x,y) a funo amplitude normalizada do fton
i o fator de confinamento do ftonrst e rsp so as taxas de emisso estimulada e espontnea.Rsp a taxa de emisso espontnea total; a eficincia quntica interna(Ei) o nmero de modos por unidade de volume por unidade de energia.
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Vertical Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSEL)Feixe vertical;
A divergncia do feixe inversamente proporcional ao tamanho do feixe na fonte (quanto menor a fonte, maior a divergncia)
A cavidade ao longo da direo vertical, com um comprimento muito curto, tipicamente 1-3 comprimentos de onda da luz emitida.
A refletividade requerida para baixas correntes de threshold maior que 99.9% (usam-se para isso refletores de Bragg distribuidos)
DBRs so formados deitando-se camadas alternadas de material semicondutor ou dieltrico com ndices de refrao diferentes.
Graas as camadas das DBR, pode-se apresentar problema de superaquecimento.
Tipos de Laser de semicondutor
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Vantagens dos VCSEL em relao aos lasers de diodo comuns:O VCSEL mais barato de se manufaturar em quantidade;
fcil de se testar on wafer.
Mais eficiente
O VCSEL necessita menos corrente eltrica para produzir um dado feixe coerente de sada
Emitem feixes mais circulares que os de diodo normais;
Comprimento de onda sintonizvel
Eficincia e velocidade de transferncia de informaes em comunicaes por fibras pticas.
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Lasers de cascata quntica Quando uma corrente eltrica flui atravs de um laser de cascata quntica, a cascata libera ftons a cada queda.
composto de pedaos de material semicondutor. Dentro dele, eltrons esto vinculados a compostos de glio e alumnio, chamados de quantum wells (poos qunticos), que so da espessura de alguns nanmetros.
Os eltrons saltam de um nvel energtico a outro e tunelam de uma camada para a prxima atravs das barreiras de energia separando os poos. Quando eles saltam, liberam energia.
Quando o eltron de menor energia deixa o primeiro poo, ele entra em uma regio do material que o coleta e envia para o prximo poo.
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Benefcios dos QC LasersTipicamente de 25 a 75 poos ativos esto arranjados em um laser QC, cada um com um nvel de energia um pouco menor que o anterior (efeito cascata), permitindo que de 25 a 75 ftons sejam criados a cada jornada do eltron.
Simplesmente mudando a espessura da camada semicondutora, o comprimento de onda do laser pode ser alterado.
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Quantum Dot Lasers
Estruturas de confinamento tridimensional quntico, quantum dots, providenciam uma funo delta de densidade de estados.
Aplicao em campos tais como comunicaes por fibras pticas e fonte de bombeamento.
Os nveis discretos de energia em quantum dots possibilitam uma aplicao nica:Controle de chaveamento de comprimento de onda.
Caractersitcas principais:baixa corrente de threshold a temperatura ambienteGrande ganho diferencialAlta potncia de sadaAmplo espectro sintonizvelCorrente de Threshold menos sensvel a temperatura que os lasers QC.
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Porque usar lasers semicondutoresLasers semicondutores tem baixo custo de manufatura que lasers de estado slido ou a gs por causa do menor nmero de subcomponentes;
Lasers semicondutores tem menores falhas mecnicas graas tambm ao menor nmero de componetes;
Para o laser de AlGaLnAs foi demonstrado que o mesmo tem uma mdia de vida de 1.57 106 horas (180 anos), trabalhando a uma temperatura de 85C;
Baixo fator de forma, baixo custo, alta eficincia e ampla range de comprimento de onda.
Bombeamento operado por corrente, sendo sua intensidade facilmente alterada atravs disso.
Em fibras pticas, produz potncia ptica suficiente para contrabalanaras perdas intrnsecas da fibra e perdas por emenda,entre outras, e ainda fornecer o suficiente para ofotodectetor recuperar as informaes enviadas,principalmente em sistemas de curta distncia;
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Problemas com o laser de semicondutor
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Laser semicondutor
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Aplicaes405nm-InGaNlaser azul-violeta , emBlu-ray Disce drives deHD/ DVD635nm- lasers pointer650nm-Drives de DVD, laser pointers670nm- laser pointers baratos;780nm-Compact Discdrives808nm-bombeamento emDPSSNd:YAG lasers980nm- Bombeamento paraamplificadores pticos, paraYb:YAGDPSS lasers.1064nm-comunicao por fibra ptica;1310nm- Comunicao por fibra ptica;1480nm- Bombeamento de amplificadores pticos1550nm- Comunicao por fibra ptica;1625nm- Comunicao por fibra ptica.
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Estatsticas comerciais
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RefernciasYariv, Amnon, Quantum Electronics, John Wiley and Sons, New York (1967); Kressel, H, Topics in Applied Physics: Semiconductor devices, Springer-Verlag, New York (1980);S. C. Zlio, ptica Moderna, IFSC-USP (2007); www.wikipedia.com.br www.google.com.br
O mais importante e que no est escrito o comprimento de coerncia. O comprimento de coerncia do laser de diodo muito menor que o comprimento de coerncia do laser de He-Ne.