semicondutores: - diodos laser

Iluminao_6_LEDsLamps

Diodos Laser

Semicondutores: - Diodos Laser14-02-2014Por : Lus Timteon

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LaserO laser considerado uma das maiores invenes do sculo 20 sendo sinnimo de alta tecnologia. A tecnologia laser uma ferramenta muito importante em diversas reas, como por exemplo, na medicina onde utilizado em cirurgias e em telecomunicaes, servindo de fonte nas transmisses de sinais pticos. At h pouco tempo atrs, os lasers eram considerados objectos exticos, usados apenas em laboratrios de pesquisa, projectos militares, grandes indstrias e filmes tipo Guerra nas Estrelas. Hoje, a grande maioria da populao possui pelo menos um laser em casa: o que est na aparelhagem de tocar CDs (compact disk). Alm disso, possvel encontr-los na vida cotidiana, como por exemplo, em supermercados nos leitores pticos de cdigo de barras, e em impressora a laser, discos rgidos de PCs, rapto dos PCs, apontadores de aulas interactivasEm 1960, Theodore Maiman anunciou o funcionamento do primeiro maser ptico, ou laser, cujo o meio activo era um cristal de rubi.O primeiro laser um laser de rubi, devido a Maiman, contm todos os elementos fundamentais que continuam a estar presentes nos lasers actuais, desde os mais simples, at aos mais complexos. O primeiro laser civil em Portugal, que esteve em exibio na exposio Luz de Einstein, na Fundao Calouste Gulbenkian, semelhante ao primeiro desenvolvido por Maiman e ilustra os componentes fundamentais de qualquer laser.


Espelho

Espelho

E

E

rbitarbita

rbita

rbita

rbita

LaserEmisso laser s possvel quando ganho supera as perdas! Ganho ocorre pela inverso de populao (ou seja, nveis de energias mais altos, mais ocupados que nveis mais baixos); requer confinamento de portadores e fotes; resultando na gerao de emisso estimulada.O electro Bombeado para um nvel de energia superior.O nvel Bombeado instvel, pelo que o electro, logo salta para um nvel ligeiramente inferior.O electro relaxa para um nvel inferior de energia, libertando um foto.Luz e um electro em estado excitadoProduz dois fotes do mesmo comprimento de onda e com a mesma fase.Os espelhos reflectem parcialmente os fotes emisso estimulada


Laser

Mecanismo de Excitao

Meio Activo

Espelho de Transmisso Parcial

Espelho de Alta Reflexo

Mecanismo de RealimentaoMeio activo (ganho), que pode amplificar a luz que passa atravs dele.Fonte de energia da bomba para criar uma inverso de populao em meio de ganho.Dois espelhos que formam uma cavidade ressonante.

Na maioria dos casos, o estado excitado tem uma vida muito breve, na ordem de 10 nanosegundos (1ns = 10-9s). E logo o tomo retorna ao estado fundamental. Entretanto, h tomos dotados de uma particular estrutura de nveis energticos tal, que a excitao acarreta uma situao menos instvel. Uma vez excitado, o tomo pode manter esse estado por lapsos de tempo muito superiores a 10 nanosegundos: milionsimos, milsimos, alguns segundos ou mesmo horas. Tais nveis so chamados metaestveis. Para o efeito laser empregam-se, na prtica, tomos dotados de nveis metaestveis de energia. O laser s pode funcionar se a energia do feixe aumentar a cada passagem pelo meio activo,Sistema LaserConstituio


Izuo Hayashi e Morton B. Panish conceberam e desenvolveram em 1971 o primeiro laser semicondutor a operar continuamente (regime CW) temperatura ambiente.Semicondutores LasersO funcionamento de lasers semicondutores baseado na amplificao de luz, na regio activa de um material semicondutor. A maioria dos lasers semicondutores usam transies qunticas radiativas entre duas bandas permitidas de energia dum semicondutor: a banda de conduo (BC) e a banda de valncia(BV). A regio activa do laser baseado em transies interbandas caracterizada por uma distribuio de no-equilbrio termodinmico de portadores, o qual, na banda de conduo tem a forma tpica de um semicondutor do tipo n degenerado, e na banda de valncia, de um semicondutor tipo-p.O mtodo mais importante para o bombeamento dos lasers semicondutores, a injeco atravs de Junes p-n ou heterojunes, o que permite a converso directa da energia elctrica em radiao coerente. Lasers semicondutores bombeado atravs deste mtodo so chamados de "lasers de injeo" ou "diodos laser Nos lasers de injeco, duplamente degenerados, a regio activa criada por um fluxo de corrente directa elevada, atravs do diodo semicondutor, induzida por injeco de portadores em excesso na camada adjacente juno. Os lasers de semicondutores com base em heteroestruturas so os mais utilizados, devido sua densidade de corrente limiar moderada temperatura ambiente. Os heterolasers mais eficazes contm duas heterojunes: uma juno p-n que injecta electres (emissor) e a juno p-p que limita a difuso de portadores para fora da camada activa, que se encontra entre as duas heterojunes.


Diferenas bsicas entre lasers de semicondutor e lasers pticos tradicionais:Lasers SemicondutoresLasers tradicionais

Ocupao 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 electromagntica gerada, depende do meio de juno.A caracterstica espacial da onda electromagntica gerada, depende de caractersticas do ressonador ptico.

Semicondutores Lasers


Diferenas bsicas entre Diodo laser e Diodo Emissor de luz (LED)Diodo LaserLED

Semicondutores LasersRadiao estimulada.Largura de linha estreita.Luz coerente.Maior potncia de sada.Um dispositivo de patamar.Forte dependncia da temperatura.Maior eficincia de acoplamento a uma fibra ptica.Radiao espontnea.Amplo espectro.Luz incoerente.Menor potncia de sada.Nenhuma corrente limiar.Faca dependncia da temperatura.Menor eficincia de acoplamento a fibra ptica.


Comparao com outros sistemas de laserAs seguintes caractersticas, distinguem os diodos laser de outros lasers:Compactos. so construdos num nico chip que contm tudo o necessrio para um laser. Isso permite que os lasers semicondutores sejam inseridos noutros instrumentos.Alta eficincia de at 50%. Isto lhes permite serem alimentados por fontes de baixo consumo de energia eltrica, comparado a outros lasers.Excitao directa com pequenas correntes elctricas, de modo que os circuitos baseados em transistores convencionais podem alimentar e controlar o laser.Possibilidade de modulao directa com a corrente aplicada.Pequena cintura do feixeFeixe altamente divergente. Outra importante caracterstica indesejada. Baixos custos, devido produo em massa e alta fiabilidade fez deles um componente-chave em vrias aplicaes. No entanto, eles tambm tm algumas desvantagens:Eles so altamente sensveis temperatura. Embora isso permita uma ampla variao do comprimento de onda, indesejada para a maioria das aplicaes. Semicondutores Lasers


Existem, basicamente, trs processos de interaco dos electres do semicondutor com os fotes: Absoro Gerao de um par electro-lacuna Emisso espontnea Recombinao radiativa no induzida Emisso estimulada Recombinao radiativa induzida-Vejamos, agora, quais so as condies de emisso e de absoro de fotes:A absoro: de um foto com energia hv=Eg, cria um par electro lacuna Eg= EC EV. Se a energia do foto for h>Eg, esta energia extra corresponde energia cintica dos electres sobre da banda de conduo Ec=hEg. A emisso espontnea: ocorre quando um electro da banda de conduo se recombina com uma lacuna da banda de valncia emitindo um foto com a energia hv= Eg. A emisso estimulada: ocorre quando o foto estimula a recombinao de electres da banda de conduo com buracos da banda de valncia, e emitindo outro foto com o mesmo comprimento de onda e fase. Os fotes extra criam novos pares electro lacuna e mais fotes so libertados. Num laser semicondutor, existem sempre estes trs processos bsicos de transio entre nveis (ou bandas) de energia. Enquanto que a emisso espontnea no depende da populao de fotes, o mesmo no acontece com as transies induzidas (i.e., absoro e emisso estimulada). Com efeito, as taxas correspondentes a transies induzidas so proporcionais ao nmero de fotes.Conceitos bsicos de um Laser semicondutor:Semicondutores Lasers


Absoro estimulada;Emisso espontnea; Emisso estimulada.Existem trs tipos de transies que so importantes nos diodos laser, que ocorrem entre a banda de conduo e a banda de valncia do material:

h

Absoro estimulada

h

Emisso Estimulada

h

h

h

Emisso espontnea Depois de definir R (abs), R (espon), R (estim) como a taxa de absoro, emisso espontnea e emisso estimulada, respectivamente, a relao entre os trs processos podem ser descritos atravs da seguinte equao:R (abs) = R (espon) + R (estim)

Semicondutores LasersConceitos bsicos de um Laser semicondutor:

BC BV

BC BV

BC BV


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Semicondutores LasersO objetivo de um laser amplificar a luz atravs de emisso estimulada. Para que o nmero de fotes aumente, necessrio que a taxa de emisses estimuladas seja maior que o numero de absores, ou seja:

Que substituindo por um sistema de dois nveis, tem-se a condio:

Ou seja, a emisso espontnea + estimulada, tm que ser superiores absoro.Esta condio, denominada Inverso de Populao! No pode ser atingida na condio de equilbrio trmico. Um Laser deve operar fora do equilbrio, portanto, e deve-se manter uma situao de inverso.Quando a condio de inverso de populao alcanada, haver um ganho lquido do nmero de fotes ou da Intensidade ptica. Condies para a aco laser:Inverso de populao = injeco de electres.Realimentao (ganho superior s perdas).Conceitos bsicos de um Laser semicondutor:


No caso dos lasers semicondutores, espelhos exteriores no so necessrios, porquanto as duas faces clivadas do laser, agem parcialmente como espelhos reflectores.

Injeco de correnteFaces clivadasRegio activaR1R2Comprimento da Cavidade - dFeixe LaserSemicondutor como um meio de ganhoO princpio bsico: com a criao da inverso de populao, a emisso estimulada torna-se mais prevalente do que a absoro.Meio de ganhoA inverso de populao geralmente atingida por injeco elctrica de corrente, de alguma forma no dodo de juno p+ - n+ (tambm possvel atravs de bombeamento ptico para efeitos de pesquisa).Com a polarizao directa, pares de transportadores so injectados na regio da juno, onde se recombinam atravs da emisso estimulada.Iremos discutir o ganho dos semicondutores (diodos) e largura de banda, atravs de bombeamento elctrico.Semicondutores LasersConceitos bsicos de um Laser semicondutor:


EFC

EFVBC

BV

EK

E2

E1

hRe() > Ra() : Taxa de emisso estimulada maior que a taxa de absoro Isto define a inverso de populao num semicondutor. Os nveis de quase-Fermi so determinados pelos nveis de injeco: (EFC-EFV=eVEg onde V, a tenso de polarizao) E2 EFC, E1 EFV

frequncia

Eg

EFC - EFV

FWHM = Gain bandwidth Optical gain (broadband) Inverso de PopulaoSemicondutores LasersConceitos bsicos de um Laser semicondutor:


h

p-GaAsn-GaAs

Semicondutores LasersConceitos bsicos de um Laser semicondutor:Ganho no o nico requisito o para ter aco ou efeito laser. Exigese um ressonador. O mais comum o ressonador FabryPerot formado por dois espelhos (faces clivadas) paralelos com uma cavidade de comprimento L onde acontece a realimentao ptica. Juno p-nRegio ActivaCavidadeEspelhosCavidade ressonante

L

Realimentao ptica: A luz reflectida pelos duas faces formando um padro de onda estacionria que formado para certos comprimentos de onda ressonantes.De preferncia uma das faces clivadas deve ter revestimento (coating) com 100% de reflectividade e a outra deve ser de reflexo parcial, de modo que a luz do laser possa ser extrada do meio activo.R2R1


Sai do meio de ganho

Os fotes vibram num vai-e-vem dentro do guia de ondas da cavidade, amplificando-se , e depois saemOs Fotes, que so emitidos para o guia de ondas, entram num vaie-e-vem, desde que sejam reflectidos pelas faces. A distncia entre os dois espelhos o comprimento da cavidade, L.LO processo de emisso estimulada gera um aumento de fotes medida que eles viajam ao longo do guia de ondasR1R2gSemicondutores LasersConceitos bsicos de um Laser semicondutor:Cavidade ressonante.


L

m (a)(c)

M1M2

R~ 0.4

R~ 0.8Relative intensity

mm+1m-1

1

f(b) Only standing EM waves, modes of certain wavelengths are allowed in the cavity.(c) Intensity vs. frequency for various modes. R is mirror reflectance and lower R means higher loss from the cavity.A

B

m = 2

m = 1

M2

M1m = 8

(b) 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)(a) Reflected waves interfere.

R: reflectance of the optical intensity, k: optical wavenumber

Semicondutores LasersConceitos bsicos de um Laser semicondutor:Cavidade ressonante Fabry-Perot. Se a frequncia de uma onda "corresponde" s dimenses do dispositivo de ressonncia (frequncia de ressonncia), - o comprimento da cavidade ser igual a um nmero inteiro de meios comprimentos de onda, e formar-se- uma onda estacionria. Todos os componentes de outras frequncia sero cancelados por uma interferncia destrutiva.


M1M2

Vejamos uma onda arbitrria, a viajar do espelho do lado esquerdo para o lado direitoNo espelho do lado direito, a onda sofre uma mudana de fase de 180 e continua a propagar-se. No espelho do lado esquerdo, esta onda tem de novo o mesmo deslocamento de fase e continua a viajar produzindo um padro estvel chamado de onda estacionria.Um ressonador pode suportar apenas uma onda com um determinado comprimento de onda, a onda que se forma um padro de onda estacionria.

O ressonador suporta uma onda com o comprimento de onda = 2L / m; 2L / m1, 2, 3.)Podem existir muitos comprimentos de onda. Os comprimentos de onda seleccionados por um ressonador so chamados modos longitudinais.No entanto, o meio activo proporciona ganho dentro de apenas um pequeno intervalo de comprimentos de onda.Uma vez que o laser formado por um ressonador e um meio activo, e a radiao o resultado da sua interaco, s poucos comprimentos de onda ressonantes que dentro da curva de ganho, podem ser irradiados.Semicondutores LasersConceitos bsicos de um Laser semicondutor:Cavidade ressonante Fabry-Perot.


modos longitudinais (ondas estacionrias):

Quando o ganho da intensidade ptica suficientemente maior que as perdas devido absoro no guia de ondas que os espelhos transmitem, ou seja, a corrente limiar alcanada, a cavidade atinge o limar laser. Semicondutores LasersConceitos bsicos de um Laser semicondutor:Cavidade ressonante Fabry-Perot.


A distncia entre os picos adjacentes dos comprimentos de onda ressonantes numa cavidade de Fabry-Perot a faixa espectral livre (FSR- Free Spectral Range).FSRSendo L a distncia entre os espelhos reflectores, num dispositivo de ndice de refraco n, ento no pico do comprimento de onda do a FSR dada por:

Semicondutores LasersCavidade ressonante Fabry-Perot. Conceitos bsicos de um Laser semicondutor:


A Cavidade Laser Fabry-Prot, pode suportar vrios modos de Oscilao : Laser Multimodo Na operao de uma frequncia simples (monomodo), todas as componentes longitudinais devem ser suprimidas excepto uma. Isto pode ser conseguido atravs de diferentes abordagens:Cavidade de acoplamento clivado- (C3) lasers.Lasers de cavidade externa. Lasers de reflectores Bragg distribudos (DBR).Laser de feedback distribudos (DFB)As fontes de luz mais utilizadas para alta taxas de transmisso a longa distncia so os Lasers DBR e DFB.

Os Modos longitudinais na cavidade do laser, correspondem a ondas estacionrias entre os dois espelhos. Se assumirmos reflexo total nos espelhos, essa onda contm N/2 perodos onde m um nmero inteiro. Para um comprimento de onda dado , a que corresponde um ndice eficaz eff, d:

Effective refractive index

Semicondutores LasersCavidade ressonante Fabry-Perot. Conceitos bsicos de um Laser semicondutor:


Combinada com as perdas no guia de ondas (a), a emisso estimulada produz um ganho lquido por unidade de comprimento, g .O nmero de fotes pode, pois, ser mantido se a amplificao de ida e volta na cavidade de comprimento L, incluindo a reflexo nos espelhos com reflectividade R1 e R2, igual a unidade.Isso conduz condio lasing a seguinte:O ganho requerido necessrio igual a:

As perdas nos espelhos igual a:

Potncia de sada igual a:

The propagation constant of the waveguide is where neff is the effective refractive index, and is the wavelength.

Semicondutores LasersCavidade ressonante Fabry-Perot. Condio LasingConceitos bsicos de um Laser semicondutor:


Semicondutores LasersCavidade ressonante Fabry-Perot. Modos Longitudinais...Conceitos bsicos de um Laser semicondutor:Perfil do Ganho

Comprimento de onda

Perdas da cavidadeDistribuio do Ganho

Modos Longitudinais possveisA cavidade ptica excita vrios modos longitudinais.Modos com ganho acima das perdas da cavidade tem o potencial para efeito laser.A distribuio do Ganho depende da banda de emisso espontnea.O comprimento de onda de cada um dos modos longitudinais, depende da reflectividade das faces terminais.O comprimento de onda de separao dos modos (Dl) depende do comprimento da cavidade.


Definies da cavidade laser e caractersticas de sada do feixe laser . 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)O comprimento determina os modos longitudinais , a largura e a altura da cavidade determinam os modos transversais ou laterais.Nos modos longitudinais, a separao depende do comprimento da cavidade.Com W e H relativamente pequenas, apenas o modo transversal mais baixo (TEM00) existir.Nota: o feixe de laser de sada apresenta difraco, devido divergncia nas extremidades da cavidade. Quanto menor a abertura, maior ser a difraco.O espectro desenvolvido pode ser multimodo ou modo simples (monomodo), determinado pela geometria do ressonador ptico e o pelo nvel da corrente injectada.Note-se que a transio para multimodo a baixa potncia, e para monomodo a alta potncia. LDs de ganho guiado (.Gain guided LDs) tendem a permanecer em multimodo.Semicondutores LasersCavidade ressonante Fabry-Perot. Conceitos bsicos de um Laser semicondutor:


Diodo Laser de Injeco (Injection Laser Diode)Semicondutor Laser de Bombeio ptico (Optically Pumped Semiconductor Laser)Os Diodos laser, so lasers semicondutores, bombeados electricamente, em que o ganho gerado por uma corrente elctrica que flui atravs da juno p-n ou (mais frequentemente) numa estrutura p-i-n. Nas heteroestruturas, os electres e buracos podem-se recombinar, libertando pacotes de energia conhecidos como fotes. Este processo pode ser espontneo, mas tambm pode ser estimulado por fotes incidentes, efeito que conduz a uma amplificao ptica, com uma realimentao ptica em oscilaes num ressonador laser, baseando afinal, o seu funcionamento em trs processos bsicos: Absoro, Emisso Espontnea e Emisso EstimuladaA maioria dos lasers semicondutores so baseados em diodos laser, mas tambm h os lasers semicondutores bombeados opticamente, que no necessitam de uma estrutura de diodo e, portanto, no pertencem categoria dos diodos lasers.Princpio dos Diodos LaserOs Diodos laser so normalmente construdos como lasers emissores de bordo (edge-emitting lasers) , em que o ressonador laser formado pelas faces finais, revestidas ou no com pastilha semicondutora (arestas clivadas). Eles baseiam-se frequentemente numa heteroestrutura dupla, que restringe os portadores gerados, a uma zona estreita e, ao mesmo tempo, serve como um guia de ondas para o campo ptico (duplo confinamento).O fluxo de corrente limitado mesma regio, por vezes, utilizando barreiras de isolamento. Tais arranjos podem conduzir a um bombeio de relativamente baixa potncia e alta eficincia. A regio activa geralmente muito fina - muitas vezes to fina que age como um poo quntico (quantum well). Em alguns casos, so usados pontos qunticos.Diodo Laser


Estrutura de bandas dos semicondutoresAqui, o nvel de Fermi usado para identificar as condies de ocupao dos electres no semicondutor, o nvel de energia ocupado pelos electres. O Nvel de Fermi num semicondutor tipo-p (EFP), est perto da banda de valncia (BV) e num semicondutor tipo-n (EFN) est perto da banda de conduo (BC).Num cristal, os nveis de energia discretos do tomo individual , so expandidos em bandas de energia. Cada estado quntico do tomo individual, d origem a uma certa banda de energia.As combinaes de ligao de estados, tornam-se na banda de valncia (BV) do cristal, e as combinaes de anti-ligao desses estados, se transformam na banda de conduo (BC). A diferena de energia entre a BV e a BC, chamada gap de energia ou zona proibida. Se a banda de valncia (BV) est parcialmente cheia, esse material do tipo-p, se as banda de conduo (BC) est parcialmente cheia, esse material do tipo-n. Diodo Laser


Quando dois semicondutores, com estruturas de bandas diferentes so combinados, formada uma heterojuno. Uma heterojuno p-n chamada de diodo. Electres e lacunas transferem-se de um para o outro lado, devido aos diferentes nveis de Fermi , respectivos.Recombinando-se uns com os outros, deixando no lado p uma carga negativa, e o lado n uma carga positiva. Esta regio chamada camada de carga espacial (SCL). Devida transferncia e recombinao de cargas, autocriada uma tenso V0. Quando no h tenso aplicada , o nvel de Fermi contnuo, atravs do diodo EFP = EFN. A tenso auto criada V0 evita que os electres na banda de conduo no lado-n, de se difundirem para a banda de conduo do lado-p, sendo semelhante para as lacunas na banda de valncia , de modo que os portadores maioritrios no podem fluir para a camada de carga espacial . A aplicao de uma tenso V, pode separar EFP de EFN por eV, e o nvel de Fermi no contnuo atravs do diodo. O nvel de Fermi separado em cada um dos lados chamado, nvel de quasi-Fermi.Diodo Laser Estrutura de bandas dos semicondutores


EVEiECBV

BC

EVEC

BVBCp

n

p

n

n e p

00.51.0F(E)

ND

E

EC

EvEFEFnp = n2i

Ei

ED

-

-

-

-

-

-

-

EA

N(F)

NA

EFEF

EC

EV

E

EiEi

EiEi

Diodo Laser Dopagem: a Adio de impurezas qumicas elementares num elemento qumico semicondutor puro, com a finalidade de dot-los de propriedades de semiconduo controlada especfica.Semicondutor do tipo PApresenta excesso de cargas positivas (interpreta-se um buraco como uma carga positiva).Semicondutor tipo N Excesso de cargas negativas.A dopagem pode afectar a estrutura de bandas, introduzir estados permitidos na banda de conduo, afectar a distribuio de Fermi e a condutividade do material.Estrutura de bandas dos semicondutores


X(x)0-wpwnQuando juntamos um material P com um N, geramos uma difuso entre essas regies. O potencial da juno est relacionado com a quantidade de cargas acumuladas atravs de:

p= lacunas,

n= Electres livres,-e= carga do electro

Nd+=tomos doadores ionizados

Na-=tomos aceitadores ionizados

Xn,p

Xp(x)

XE(x)

Nd

NaeNd

eNa

X=0

Tipo-p

Tipo-n Camada Deplexo

Diodo Laser Estrutura de bandas dos semicondutores


p+n+

Eg

Electres

eVo

Ec

Ev

Juno

BCBV

EFpEv

EcEFn

Electres Criados

Lacunas Criadas

p+

V

EcEcEv

Eg

n+

eVEFn

Regio de Inverso

EFp

regio activa(BC)(BV)Juno p-n s/ polarizaoJuno p-n c/ polarizao directaDevido tenso aplicada, o processo de recombinao tem lugar, e as correntes estabilizam no diodo. Quando a tenso aplicada maior que a tenso auto criada V0, a camada de carga espacial deixa de ser deplexada. Agora, na juno, mais electres so injectados na banda de conduo a nveis de energias perto de Ec, do que electres na banda de valncia com energias perto de Ev. Isto a inverso de populao, e a inverso de regio, como indicado na Figura e chamada de regio activa.

Diodo Laser Estrutura de bandas dos semicondutores


Diodo Laser Na emisso estimulada, um foto est fortemente associado com o electro, o foto pode causar o electro decair para um nvel de energia mais baixo, libertando um foto da mesma energia. O foto emitido tem a mesma direco e fase que o foto incidente.Quando a emisso estimulada dominante, a luz amplificada, e ocorre o efeito laser.Como mencionado anteriormente, num diodo laser, a inverso de populao alcanada quando EFN EFP > Eg, onde Eg a energia da banda proibida (Gap) e EFC e EFV so os nveis de Fermi da banda de conduo e da banda de valncia, respectivamente. Estes nveis de Fermi s podem ser separados por bombeamento de energia sob a forma de uma corrente elctrica no laser semicondutor. Pela Lei estatstica de Fermi-Dirac, sob esta condio, a probabilidade de encontrar um electro na banda de conduo tem de ser maior do que a probabilidade de encontrar um electro na banda de valncia, por isso deve haver uma inverso de populao. Electres e lacunas so injectados na regio activa a partir das camadas semicondutoras dopadas n e p. A corrente de injeco necessria para alcanar o efeito laser, conhecida densidade de Corrente Injectada Limiar (JTH).Estrutura de bandas dos semicondutores


Diodo Laser Densidade Corrente limiar injectada (JTH)A onda faz uma ida e volta completa na cavidade, sem atenuao, o que significa que o ganho ptico deve igualar as perdas, tanto no interior da cavidade como atravs das faces das extremidades parcialmente reflectorasQuando um nmero suficiente de electres e lacunas so acumulados para formar uma populao invertida, a regio activa apresenta ganho ptico e pode amplificar as ondas electromagnticas que passam atravs dele, uma vez que a emisso estimulada supera a absoro interbanda.Assim, o coeficiente de ganho no limiar gTH, dado pela relao:

iOnde, a e c denotam as perdas nas camadas activas e de revestimento, respectivamente, devido absoro de portadores livres. s conta para as perdas de disperso devido a imperfeies heterointerfaciais entre a camada activa e a camada de revestimento (cladding layer).Os trs primeiros termos de perdas, no lado direito da frmula, combinados, so chamados de perdas internas i, e adicionam 10 a 20 cm-1.


2040608048121620Drive Current I (mA)Output Optical Power P0 (mW)InGaAsP injected laser( = 1.3 m)Strongly Index-Guided Buried-HeterostructureJTHA densidade da corrente limiar injectada (threshold current density) JTH, um parmetro fundamental para caracterizar o desempenho do diodo laser: menores valores de JTH Indicam um desempenho superior.Diodo Laser Densidade Corrente limiar injectada (JTH)


A Corrente Injectada Limiar (iTH= JTH A) e a corrente de transparncia (it= Jt A), onde A a rea transversal da regio activa.A Densidade de Corrente Injectada Limiar (JTH) um parmetro fundamental para caracterizar o desempenho do diodo laser : menores valores de JTH Indicam um desempenho superior.JTH pode ser minimizado por(JTH Jt e minimizando Jt):Maximizando a eficincia quntica interna int;Minimizando o coeficiente de perdas do ressonador r;minimizando a densidade de portadores injectados na transparncia nt.Minimizando a espessura da regio Activa (usar heteroestruturas duplas).Diodo Laser Densidade Corrente limiar injectada (JTH)


Drive Current i (mA)Output Optical Power P0 (mW)

40

50

600CT=

20

30

x ~2 ~3 A corrente limiar (Threshold current) aumenta com a temperatura da juno p-nA corrente limite :

(emprica) Declive da Eficincia = DP / dI A eficincia do laser diminui com a temperatura:Com o aumento da temperatura, o ganho do diodo diminui, e por isso mais corrente necessria para a oscilao comear (a corrente limiar , aumenta em cerca de 1,5% /oC). portadores gerados termicamente (buracos na camada n, e electres na camada p) recombinam-se com electres livres e buracos nas regies dopadas, fora da camada activa, reduzindo o nmero de cargas que alcanam a camada activa, reduzindo o ganho.A reduo do ganho, leva a um aumento da corrente limiar.Dependncia da TemperaturaDiodo Laser Densidade Corrente limiar injectada (JTH)


Emisso Espontnea

JTH

Optical power

Optical PowerLED

Abaixo do limiar (JTH), a densidade de fotes zero, qualquer aumento na taxa de bombeamento manifestada como um aumento do fluxo de fotes de emisso espontnea, mas no existe oscilao sustentada.Acima do limiar, o estado estacionrio da densidade de fotes laser interna, directamente proporcional inverso de populao inicial (densidade inicial de injeco), e aumenta com a taxa de bombeamento, mas o ganho g(n) permanece no valor limiar ( g(nTH)).( is the total recombination lifetime, r is the radiative recombination lifetime, int = /r)

Emisso EstimuladaDiodo Laser Densidade Corrente limiar injectada (JTH)

l

Laser

Optical Power

l

Laser

Optical Power


A relao entre a potncia ptica de sada e a corrente injectada no diodo, vem das equaes das taxas que regem a interaco entre fotes e electres, na regio activa.

Para uma juno p-n, com uma regio de confinamento de portadores, com uma profundidade d, as equaes das taxas so:= Emisso Estimulada+Emisso Espontnea + Perdas de Fotesque regula o nmero de fotes e:

= Injeco+Recombinao Espontnea+Emisso Estimuladaque regula o nmero de electres nNote-se que as duas equaes esto relacionadas atravs do termo da emisso estimulada. Assim, as equaes sugerem equaes diferenciais de 2 ordem no tempo - a oscilao de n e .Equaes das relaes do diodo laserDiodo Laser


Diodo Laser Quando calculamos vrias propriedades pticas, como a taxa de absoro ou de emisso e como os electres e as lacunas ou buracos se distribuem dentro de um slido, precisamos de saber a densidade de estados. A densidade de estados, descrita como o nmero de estados disponveis por unidade de volume por unidade de energia. Assim, na banda de conduo (BC) e na banda de valncia (BV), a densidade de estados de energia :

m* mc ou mv E Ec Ec ou Ev ESegundo a lei de probabilidades estatsticas de Fermi-Dirac, os electres na banda, obedecem s seguintes equaes:

Ento, na banda de conduo e na banda de valncia, a distribuio de electres e buracos :

E > EcE EvDensidade de estados


A concentrao de portadores no SCL sob polarizao directa.Concentrao portadores, em coordenadas 2D na camada de carga espacial (SCL).

V

Mx

SCLnMPM

p - sideElectrons

Holes

wp

wn

pnoppo

nnonpo

n - side

C

B

A

D SCL- Space Charge Layer camada de carga espacial (zona de deplexo)Diodo Laser Densidade de estados


Diodo Laser (a)A 0oK, as cargas preenchem primeiro os estados mais baixos de energia.

EFC

EFVBCBV

EFVBCBV

EFC

E(b)

E(a)(b)A temperaturas acima de 0oK, algumas cargas so excitadas para estados de energia mais altos.Densidade de estados: distribuio de Electres e lacunas


BCBVElectresLacunasDiodo Laser O processo de recombinao depende principalmente da estrutura das bandas de energia. Em geral, existem dois tipos de estrutura de banda, gap directo e gap indirecto. Gap directo, significa que no diagrama Ek, os electres no mnimo da banda de conduo, tm o mesmo momento (binrio), que os electres no mximo da banda de valncia. Por um gap indirecto, os electres no tm o mesmo momento, como indicado na Figura.

Eg

Ek

k=0(a) Estrutura direct-bandgap

Eg

k=0

BCBVElectresLacunas

Fono

h

h(b) Estrutura Indirect-bandgap Para uma a recombinao de bandgap indirecto, a energia libertada sob a forma de foto, mas tem um ou mais fones para conservar o momento (impulso). Esta interaco multipartcula improvvel e a eficincia da recombinao nos materiais gap indirecto, inferior dos materiais gap directo.A recombinao de um electro perto da parte inferior da banda de conduo com uma lacuna prximo da parte superior da banda de valncia, requer a troca de energia e de momento. Direct band gap ou indirect band gap

Ek


A maioria dos semicondutores so materiais de bandgap indirecto, em comparao com eles, materiais de bandgap directo so os preferidos para diodos de laser. A estrutura de bandgap directo maximiza a tendncia dos electres e lacunas se recombinarem por emisso estimulada, aumentando assim a eficincia laser. Por exemplo, o cristal de bandgap directo de Alumnio de Arsenieto de Glio (AlGaAs), por vezes usado para diodos de laser com comprimentos de onda entre 750 nm e 880 nm. AlxGa1-XAS, atravs da mudana do x, a proporo de Alumnio para o Glio pode ser ajustada para variar a bandgap, e assim, controlar o comprimento de onda.Diodo Laser

Mecanismo de realimentao pticaUm ressonador de laser, geralmente consiste de dois espelhos paralelos perpendiculares ao eixo ptico. O espao entre os espelhos parcialmente ocupado pelo material de amplificao. Esta estrutura, chamada de ressonador de Fabry-Perot, obtida num diodo de laser, por clivagem das extremidades do cristal.Num laser de alta eficincia, deve ser formada um ressonador, o qual tem a finalidade, no s para amplificar as ondas electromagnticas, mas tambm para realiment-las. Direct band gap ou indirect band gap


Electrodes - Current injection

Confinement layers - Photon guiding

Separated confinement layers - Optical losses are reduced

Cleaved facets - Mirrors

Active region - Photon generating

Lateral passivation - Electrical isolation

Anti-reflection coating (AR 3%)

100-200 m

2- 3mmHigh reflection coating (HR 95%)

Diodo Laser Em diodos laser de heteroestruturas, o guia de ondas ir confinar-se na regio activa. A componente dos fotes emitidos de forma espontnea, que percorre paralelamente ao eixo ptico, ser repetidamente refletida pelos espelhos das faces.

Fabry-Perot CavityWidth WHeight HLength LHigh reflection coating (HR 95%) medida que a onda electromagntica viaja atravs do material semicondutor, amplificada por emisso estimulada. Em cada reflexo, a onda parcialmente transmitida atravs de uma das faces reflectoras. A Oscilao Laser comea.Quando a quantidade de amplificao for igual quantidade total de perdas, atravs dos lados do dispositivo de ressonncia, atravs das faces do espelhadas e da absoro atravs do cristal. Mecanismo de realimentao ptica


42

Diodo Laser O factor de confinamento , definido como a razo entre a intensidade da luz dentro da camada activa para a soma da intensidade total da luz, tanto dentro como de fora da camada activa. um parmetro que representa a extenso da camada activa. para um modo fundamental, dado aproximadamente por:

Para um diodo de GaAs/Al0.3Ga0.7As, guia de ondas com d = 0.1 m, vem 0.27.Ou de outra forma:

A regio activa (isto , a regio de ganho) tem Va volume, o que mais pequeno do que o volume modal V , que contem a energia ptica.O modelo mais simples assume que a potncia ptica uniformemente distribuda em V , e zero fora do volume.O factor de confinamento ptico () especifica a fraco do modo ptico que se sobrepe a regio de ganho.

Onde , o comprimento de onda da energia de laser, D a espessura normalizada da regio activa, n (r, w) e n (r, c) so os ndices de refraco das camadas activas e de revestimento, respectivamente, e w a espessura da camada activa.Factor de confinamento ptico ( )


Os diodos laser respondem muito mais rpido do que os LEDs, principalmente porque o tempo de subida (rise time) de um diodo emissor de luz, determinado pelo tempo de vida da emisso espontnea sp, natural do material.O tempo de subida (rise time) de um diodo de laser depende do tempo de vida de emisso estimulada. Num semicondutor, o tempo de vida da emisso espontnea sp, o tempo mdio que os portadores de carga livres, existem na camada activa, antes da recombinao espontnea (a partir da injeo at recombinao)O tempo de vida de emisso estimulada, o tempo mdio que os portadores de carga livres existem na camada activa, antes de serem induzidos a se recombinar por emisso estimulada.Para um meio de um laser ter ganho, o tempo de vida da emisso estimulada deve ser mais curto, do que o tempo de vida da emisso espontnea.Caso contrrio, a recombinao espontnea ocorreria antes emisso estimulada, comeando por diminuir a inverso de populao e inibir o ganho e a oscilao.Um processo mais rpido de emisso estimulada, que domina a recombinao num dodo de laser, assegura que um diodo laser responde mais rapidamente a alteraes na corrente injectada do que um diodo emissor de luz (LED).Diodo Laser Tempo de Resposta


A modulao de um diodo de laser pode ser feita variando a corrente de excitao. A intensidade da potncia irradiada modulada - A modulao de intensidade. Este tipo de modulao conhecido por modulao directa ou internaInconvenientes de modulao directa: Largura de banda limitada e,Variao da frequncia de operao do laser (devido modulao de fase do meio de ganho do semicondutor, altera a densidade portadores livres)Nota: A modulao directa de diodos Laser, usada apenas para modulao a relativamente baixa velocidade (~ GHz). Para alm de GHz, tipicamente emprega-se a modulao externa, isto , operando o diodo laser num estado estacionrio (modo de operao de onda contnua) e modular o feixe laser com um modulador externo (que tenha uma largura de banda na ordem das dezenas de GHz).Diodo Laser Modulao directa (Direct modulation)


Diodo Laser Modos de OscilaoEm ptica , um modo um caminho que a luz pode tomar atravs de um sistema . Assim, multimodo significa vrios caminhos. Um laser multimodo aquele que permite vrios caminhos dentro da sua cavidade e, portanto, produz luz de vrios comprimentos de onda. Esses lasers no produzem vrios comprimentos de onda simultaneamente com potncia constante . Em vez disso, o laser ir mudar a potncia de um modo para outro, muito rapidamente (s vezes gastando apenas alguns picossegundos em qualquer modo particular) , aparentemente de forma aleatria, quando envia um nico impulso. importante notar que estas so flutuaes do nvel de energia, no comutao completa entre os modos. Assim, a intensidade de um modo particular, pode variar por tanto como 30dB, mas no desaparecem totalmente. Assim, a palavra " modo" relaciona-se com o caminho no qual a luz viaja num instante especfico no tempo. A Luz produzida em "laser multimodo " no " luz multimodo " . A luz produzida por "laser multimodo " se desloca num modo ao longo de uma fibra de modo nico, e perfeitamente bem .


Os Diodos laser tm trs modos distintos de radiao ou seja: Longitudinal, Lateral e modos transversais.Ambos, os monolticos e os de cavidade externa, de baixa potncia, podem operar em mode-locked para gerarem impulsos ultra curtos.Os Pequeno diodos emissores de luz de laser (edge-emitting laser diodes) geram algumas miliwatts (ou at 0,5 W) da potncia de sada, com um feixe de elevada qualidade. Eles so usados, por exemplo, em apontadores laser, em leitores de CD, e em comunicaes de fibra ptica.Os diodos lasers de cavidade externa, contm um diodo laser como meio de ganho de uma cavidade laser mais longa. So muitas vezes de comprimento de onda ajustvel e exibem uma pequena largura de feixe de emisso.External cavity diode lasersEdge-emittinglaser diodesBroad area laser diodesHigh-powerdiode barsDiodos de laser podem emitir um feixe para o espao livre, mas muitos tambm esto disponveis em forma de acopladores- fibra. Estes ltimos, tornam-se particularmente convenientes, por exemplo, como fontes de bombagem para lasers de fibra e amplificadores de fibra.Diodo Laser Modos de Oscilao


Diodo Laser Nos diodos laser, o comprimento determina os modos longitudinais, e a largura e a altura da cavidade, determinam os modos transversais ou laterais.

AlGaAs LD SpectrumModos longitudinais:Os modos longitudinais, ou ressonncias pticas do ressonador Fabry-Perot formado pelos espelhos das faces finais clivadas, so determinados pelo seu comprimento L do ressonador e pelo ndice de refraco n do semicondutor.Variando o inteiro q por um, provoca uma variao de comprimento de onda, de 0.35nm, e o ressonador laser pode suportar simultaneamente vrios ondas estacionrias, ou modos longitudinais, de comprimento de onda ligeiramente diferentes.Para uma onda electromagntica de comprimento de onda , o meio-comprimento de onda no meio, /2n, e para uma onda estacionria, q/2n = L, onde q um inteiro mltiplo de . Num diodo laser, a oscilao surge no comprimento de onda correspondente energia da bandgap do semicondutor, a intensidade diminui medida que o comprimento de onda se afasta do comprimento de onda central, como indicado na Figura anterior.Modos de Oscilao


Diodo Laser Modos Longitudinais de Oscilao (Cont.)Uma vez que a energia da bandgap varia com a temperatura, o comprimento de onda com a mxima intensidade, tambm varia com a temperatura.Por exemplo, o diodo laser de AlGaAs, aumenta o comprimento de onda de cerca de 0.23nm para um aumento de temperatura de 1oC. A faixa espectral livre FSR ser:

A separao de pico definida como:

AlGaAs LD SpectrumNa figura, como um exemplo, o comprimento de onda central = 817,5 nm e a separao de pico = 0,45 nm, a faixa espectral livre FSR ser:

FSR = = 200GHz


A distncia entre os picos adjacentes dos comprimentos de onda ressonantes numa cavidade de Fabry-Perot a faixa espectral livre (FSR- Free Spectral Range).FSRSendo L a distncia entre os espelhos reflectores, num dispositivo de ndice de refraco n, ento no pico do comprimento de onda do a FSR dada por:

Diodo Laser Modos Longitudinais de Oscilao (Cont.)


Diodo Laser Modos Transversais de OscilaoO modo transversal representa o estado da onda electromagntica estacionria na direco perpendicular ao eixo ptico do ressonador de laser. O modo transversal tem duas componentes, uma paralela e outra perpendicular camada activa do laser.Como afirmado anteriormente, existem graduaes diferentes no ndice de refraco de cada um dos lados da camada activa, que servem para confinar a luz na camada activa. O feixe de laser, apresenta um campo divergente devido difraco nas extremidades da cavidade.Index guided laser diode

L Substract n- GaASContactContactBurying LayerN-Ga1-xAlxAs

2m0,1mp-Ga1-y Aly As n-Ga1-y Aly As GaAS

Figura mostra a construo de um de diodo laser de ndice guiado tpico, com camadas de revestimento, elctrodos, e GaAs na regio activa. Os espelhos da cavidade do laser so as faces das extremidades do cristal semicondutor, que foram clivadas.As dimenses do cristal determinam o padro do feixe luminoso emitido (o padro de modo transversal) e tambm as frequncias de emisso laser possveis (o padro de modo longitudinal).Oxide


Diodo Laser Modos Transversais de Oscilao (Cont.)

LHW

wh

O padro de sada dominado pela difraco, porque a largura W 10m e altura H 2m tpicas dos diodos laser, so comparveis ao comprimento de onda de emisso. O ngulo de divergncia da emisso ao longo destas duas direces inversamente proporcional s dimenses, como mostrado na figura seguinte.A largura angular do padro de emisso a partir de uma fenda ou abertura rectangular de largura d :

Por exemplo, um comprimento de onda de 850 nm e uma faixa de largura W = 10 m tem um ngulo de divergncia w 10 graus, e H 45 graus, como mostrado na figura. As dimenses W e H da regio activa do diodo laser, pode ser determinada atravs da medio dos ngulos de emisso de cone de sada. Quanto menor for a abertura, maior ser a difraco. Com umas suficientemente pequenas W e H, teremos na sada ,apenas o modo transversal menor, TEM00.


TEM00

TEM10

TEM20

TEM30

TEM11

TEM21

TEM22

TEM13

TEM03Diodo Laser Modos Transversais de Oscilao (Cont.)

A operao de modo TEM00 tem inmeras vantagens que o tornam um objectivo do desejvel. Por exemplo, a divergncia do feixe baixa, o que proporciona alta densidade de energia ao longo de grandes distncias de propagao. O tamanho do ponto focado menor do que o produzido por modos de ordem superior e no contm nenhum n, tornando este tipo de feixe til para perfurao a laser, tratamento mdico, e outras aplicaes que exigem alto brilho e tamanhos de pontos pequenos. Alm disso, porque a intensidade do feixe de sada caracterizado por um perfil uniforme de Gauss, til para muitas aplicaes de iluminao e de imagem


Single-mode laser: o laser opera no modo fundamental transversal e lateral, mas com vrios modos longitudinais.Diodo Laser Modos Transversais de Oscilao (Cont.)

Single-frequency laser: o laser opera em apenas um modo longitudinal.Longitudinal modes: Determinam o comprimento de onda da luz de sada .Lateral modes: Levam a subpicos sobre os lados dos modos fundamentais, e resultando em "dobras" na curva da corrente de sada. Suprimidos pela estrutura " stripe-geometry .Transverse modes: geram "hot spots" . Suprimidos pelo design "camada activa fina" (thin active layer). necessrio suprimir os modo transversais e laterais, para melhorar o desempenho dos lasers.


Diodo Laser Na prtica, no se pode fazer o laser to curto, assim podemos restringi-lo a um nico comprimento de onda. Precisamos de um pouco de espao para emisso estimulada para amplificar o sinal, mas estamos limitados pela densidade da potncia que se pode injectar numa pequena rea.Existem vrias formas de minimizar ou eliminar esses modos laterais que veremos mais tarde. Modos transversais (caminhos verticais) no podem existir, porque o dispositivo to fino na direco vertical, que vrios modos no podem existir. Pode-se obter um modo lateral, que v completamente de lado a lado, com ngulos correctos ao longo eixo do dispositivo. Tambm pode obter um modo vertical do mesmo tipo. No entanto, os modos laterais so suprimidos, conforme havemos de ver, e no existe ganho suficiente na direco vertical, para o efeito laser ser sustentvel.E se os lados da cavidade reflectirem a luz? O que se obtm so modos laterais, que tambm podem ser ressonantes e terem tambm efeito laser! O meio de laser, apenas pode amplificar (emisso estimulada) ao longo de um intervalo relativamente estreito, devido s caractersticas do material a partir do qual feito.

Modos Transversais de Oscilao (Cont.)


Diodo Laser

Contacto Metal (-)

n+GaAsContacto Metal (+)

p+GaAs

Regio Activa

WLrea espelhadaO diodo Laser de homojuno, tem: Fracas qualidades pticas e baixo confinamento dos portadores de carga. Sem aplicao PrticaOs Electres e lacunas so livres para se difundirem, e portanto, diluem o ganho (no confinamento). O Modelo ptico tm sobreposies pobres com baixo ganho (sem confinamento e orientao pticos).Diodo de Homojuno ou juno simplesUma nica juno p-n chamada de homojuno.Os materiais tipo-p e tipo-n, baseiam-se no mesmo material, mas com o doping apropriado.A emisso estimulada ocorre na regio de deplexo de alguns m de largura.A Luz diverge muito rapidamente para fora da regio.Requer alto nvel de corrente limiar para a ao do laser.


Contacto Metal (-)

n+GaAsContacto Metal (+)

Regio ActivaWLrea espelhadaMecanismo de realimentao ptica Diodo Laser Nos diodos laser de homojuno, no h confinamento ptico na direco perpendicular ao eixo ptico, de modo as ondas electromagnticas em qualquer direco no paralela ao eixo ptico do ressonador vo passar atravs dos lados do dispositivo de ressonncia.O diodo Laser de homojuno, tem: Fracas qualidades pticas e baixo confinamento dos portadores de carga. Sem aplicao Prtica

p+GaAs


Diodo Laser HeterojunesUma heterojuno uma juno entre os dois semicondutores diferentes, com diferentes energias de bandgap. Portadores de carga (electres ou lacunas), so atrados por cima da barreira a partir do material de maior energia bandgap, ao de menor energia bandgap.

Quando uma camada de material com uma energia de bandgap particular, est ensanduichada entre uma camada de material com uma energia bandgap mais elevada, e uma camada com energia bandgap menor, forma-se uma heterojuno dupla.

HeterojunesEm 1960 foram desenvolvidos os primeiros lasers de heterojuno . A diferena de energia da banda proibida dos dois materiais ajuda a confinar os portadores (electres ou lacunas) dentro da regio da juno diminuindo o gap, aumentando a eficincia e a potncia do laser e diminuindo a corrente limiar. Os lasers de heterojuno dupla, so at 20 vezes mais eficientes que os lasers de homojuno.


Diodo Laser Heterojunes

h

EcEvEvEcGaAsn -AlAs xGa1xp- AlAs xGa1xNas bandas do AlxAs1-x dopado por doadores, os electres livres dos doadores ionizados, tendem a cair para a banda de conduo do GaAs, devido menor energia potencial deste lado.Os electres so confinados na banda de conduo na regio GaAs. As lacunas so confinadas na banda de valncia da regio do GaAs. O confinamento dos portadores (electres e lacunas) dentro da GaAs, diminui Eg . Os fotes podem ser confinados na regio activa, tambm aumentando o ndice de refraco na regio.


Diodo Laser Diodo de Heterojuno DuplaFazendo a zona de excluso de um maior ndice, do que a rea circundante, temos um laser de heterojuno dupla.Heterojunctions

m

Energy GapActive RegionElectrons BarrierHoles Barrier1,92eV1,42eVActive Region


Contacto Metal (-)

GaAlAsP

GaAsp

GaAlAsN

Contacto Metal (+)

Arsenieto de Glio (GaAs) ensanduichado entre duas camadas Alumnio arsenieto de glio (AlGaAs) de maior Gap.Arsenieto de Glio (GaAs) a regio activa onde acontece o efeito Laser.Cada uma das junes entre os diferentes materiais chamada de uma heteroestrutura. Da o nome de " laser de heterojuno dupla "DH o mais usual. Nestes dispositivos, uma camada de material de baixo bandgap est ensanduichada entre duas camadas de material de bandgap elevados. Um par de materiais mais utilizado o GaAs com AlGaAs. A vantagem de um diodo laser DH, que a regio onde existem simultaneamente electres e lacunas livres, ou regio activa" , est confinada camada fina intermdia. Isto significa que muitos mais pares electro-lacuna podem contribuir para a amplificao, sendo poucos deixados fora, na periferia de fraca amplificao. Alm disso, a luz reflectida a partir da heterojuno, portanto, a luz est confinada regio onde tem lugar a amplificao.Diodo Laser Diodo de Heterojuno Dupla

1m


(~0.1mm)

AlGaAsAlGaAspnp

GaAs

Vf

1.4eV Electres na BC

DEc

EcEv

Ec

Ev

2eV

2eV

Buracos na BV

ndice refraco

RegioActivaD n ~ 5%

Densidade de Fotes

1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall) O diodo de heteroestrutura dupla, possui duas junes que esto entre dois semicondutores de bandgaps diferentes (GaAs e AlGaAs).Diagrama simplificado das bandas de energia sob uma forte polarizao directa. As recombinao laser, tm lugar na camada pGaAs, a camada activa.Os materiais de bandgap mais altos, tm um menor ndice de refrao.A camadas AlGaAs proporciona confinamento ptico lateral.Diodo Laser Diodo de Heterojuno Dupla


p+n+Ppn+PpNHomostructureSingle Heterostructure (SHS)Double Heterostructure (DHS)

n

optical field

O Confinamento ptico mais elevado para um DHSO Confinamento elctrico mais elevado para um DHS Corrente Ith mais baixa

Diodo Laser Heteroestruturas: ndice de refrao e modo de perfil


63

Diodos Laser HeterojunesHeteroestruturas

h

eVo

V

Ec

EFC

EFVEg1EC

EV

Eg2

dZona Activa GaAsn- GaAlAsp- GaAlAsBCBVNas heteroestruturas duplas, a emisso estimulada ocorre apenas dentro de uma fina camada activa de GaAs, que est entre duas camadas AlGaAs dopadas p-n que tm um bandgap maior. Os Diodos laser usam heterojunes para conseguir confinamento simultneo de portadores e de fotes, na regio activa. A alta eficincia do laser exige que os portadores de carga injectados e a luz, sejam confinados, tanto quanto possvel para o mesmo volume.Diodo laser de heterojuno dupla


Diodo Laser

h

eVo

V

Ec

EFC

EFVEg1EC

EV

Eg2

dZona Activa GaAsn- GaAlAsp- GaAlAsBCBV As camadas de revestimento, fornecem uma barreira de energia para confinarem os portadores regio activa. Os comprimentos de onda de operao actuais, podem variar entre 750-880 nm, devido aos efeitos dos dopantes, ao tamanho da regio activa, e as composies das camadas activa e dos revestimentos.O diodo laser de AlGaAs consiste em uma heterojuno dupla formada por uma regio activa de material no dopado (ou p levemente dopado) entalada entre duas camadas de material p-n de AlxGa1-xAs com revestimento e que tm maior bandgap. Heterojunes


Diodo Laser Uma vez que os bandgap das camadas de revestimento so maiores do que o bandgap da camada activa, os electres e os buracos so injectados so impedidos de difuso atravs da juno, pela barreira de potencial formada entre a camada activa e as camadas de revestimento (Figura anterior). Os electres e as lacunas ficam confinados camada activa, criando um estado de inverso da populao, que permite a amplificao da luz por emisso estimulada.Quando um certo parmetro fixo, o comprimento de onda pode variar em vrios nanmetros devido a outras variveis. Por exemplo:Quando a camada activa tem um gap de energia Eg = 1.424 eV, o comprimento de onda nominal de emisso = hc / Eg = 871 nm. Quando a tenso de polarizao directa aplicada, os electres e lacunas so injectados na camada activa. As camadas de revestimento (cladding layers) servem duas funes. Primeiro, injectam portadores de carga. Em segundo lugar, fazem o confinamento da luz. Uma vez que a regio activa tem um bandgap menor do que as camadas de revestimento, o seu ndice de refraco ser ligeiramente maior do que a das camadas envolventes. O ndice de refraco de GaAs a este comprimento de onda n = 3,5, enquanto que o ndice de refraco das camadas de revestimento AlxGa1-xAs ligeiramente menor. Heterojunes


IIIIII

Diodo Laser

Ex

xn

d/2d/2

yU(x)nInIInIIIA figura representa a distribuio de campo electromagntico, devido heteroestrutura.(b) Field distribution(a) Refractive indexRefractive index of the waveguide and the field distributionPara o confinamento na direco horizontal (lateral), em estruturas de laser reais, o ndice ou ganho orientado sempre utilizado. As caractersticas de uma placa guia de ondas de trs camadas, esto convenientemente descritas em termos da espessura normalizada de guia de ondas (D) , definidas como:

where a and c are the refractive indices of the active and cladding layers respectively and d is the active layer thickness. Heterojunes


Diodo Laser Diodo de Heterojuno DuplaDevido camada fina de p-GaAs, s uma quantidade mnima de corrente necessria para aumentar a concentrao de transportadores injectados a uma taxa rpida. Isto como a corrente limiar reduzida com a finalidade de inverso populao e ganho ptico.Um semicondutor com um bandgap maior (AlGaAs), tambm ter um ndice de refraco menor do que o GaAs. Esta diferena de ndice de refraco o que estabelece um guia de ondas dielctrico ptico que, finalmente, confina os fotes regio activa.As camadas n e p de AlGaAs, fornecem suporte e confinamento ptico formando heterojunes com a camada p-GaAs.A Vantagem da heterojuno AlGaAs / GaAs, que oferece um pequeno desencontro entre as estruturas cristalinas.Isto introduz uma quantidade insignificante de defeitos interfaciais induzidos (deslocamentos). Defeitos desta natureza actuam como centros de recombinao no-radiativa.(1) Single-Heterojunction Laser (SH Laser)(2) Double-Heterojunction Laser (DH Laser) (3) Stripe-geometry DH Laser(4) Single quantum well (SQW) Laser (5) Multiple quantum well (MQW) Laser(6) Strained layer superlattice (SLS) structure Lasers de Heterojuno:


Diodo Laser Diodo de Heterojuno DuplaVantagens de um heteroestrutura:As barreiras de energia so formadas quando o campo aplicado.Confine os electres a uma regio do dispositivo e os buracos outra regio.Recombinao radiativa possvel somente na regio activa.Muito mais eficiente do que a homojuno.Passos no ndice fornece um guia de ondas ptico.Luz emitida confinada no guia de ondas.Melhora o processo de emisso estimulada.Possibilita obter muito mais potncia de sada da face do diodo.Diodo Laser de Heteroestrutura de Confinamento Separado: (Separate confinement heterostructure laser diode)- Esta forma de diodo laser tem sido amplamente utilizada na maioria dos diodos laser desde os anos 1990. O diodo laser de confinamento separado ultrapassa o problema que, em muitas outras formas de diodo laser, a camada fina de laser muito fina para confinar a luz de forma eficaz. Este diodo laser supera o problema pela adio de mais duas camadas com um ndice de refraco mais baixo no lado de fora, do que os existentes. Isto confina efectivamente a luz dentro do diodo.


Diodo Laser

+v

p-GaAsn-GaAs100mEdge-Emitting Homojunction Laser Diodes Faces espelhadas

Nvel de densidade de corrente (Current Density Threshold ):

Edge-Emitting Laser Diode


Fotodiodo PINChip LaserDissipadorRebordo do EncapsulamentoTerminais de ligaoInvlucro plsticoRadiador de calorTerminaisFotodiodo PINChip LaserEdge emitting Laser diode

LGuia de ondasEspelho frontalEncapsulamentosDiodo Laser


CarcaaContactos elctricosFotodiodo de ControloDiodo LaserJanela de sadaInvlucro dissipador

xY

Seco longitudinalContactos elctricosDiodo LaserCarcaaSistema de lentesCarcaa do diodo LaserDiodo Laser

Adaptao protectoraFibra pticaFeixeRaio LaserAdaptao a fibras pticas Diodo Laser


Diodo Laser Tecnologias de diodos laserSeguidamente, vamos dar uma olhada nas diferentes tcnicas de construo de um diodo laser. O objectivo o diodo laser monomodo (sada de frequncia nica). O modo de ondas simples, o preferido na maioria dos casos. O domnio dos lasers multimodo, pertence aos lasers de alta potncia, onde um nico modo de operao no importante.Lasers reaisComparados com os lasers de banda larga, em que o chip laser inteiro excitado, a corrente limiar dos lasers com geometria de faixa, reduzida, aproximadamente proporcional rea de contacto.A maioria dos modernos lasers semicondutores, adopta uma estrutura, onde a corrente injectada somente dentro de uma regio estreita de contacto, debaixo de uma faixa de vrios m de largura, a fim de manter o nvel de corrente limiar baixo, e para controlar a distribuio do campo ptico, na direco lateral.Vamos distinguir principalmente entre dois tipos de estruturas diferentes. No caso em que a injeco de corrente limitada a uma pequena faixa ao longo do plano de juno, so denominados de ganho guiado (gain-guided lasers). Dispositivos que incorporem meio built-in para variao do ndice de refraco na direco lateral, so denominados lasers de ndice guiado (index-guided lasers)


Diodo Laser - Lasers Fabry-PerotAssim, um laser FP (Charles Fabry e Alfred Perot) pode produzir uma gama de comprimentos de onda. Cada comprimento de onda tem que ser capaz de entrar em ressonncia no interior da cavidade e deve estar dentro da janela de ganho do meio.

Adiciona-se orientao ptica para melhorar a eficincia.

Adicionam-se espelhos para fornecer feedback ptico.

I (Bombeio de corrente)+

A sada laser de cada um modos possveis, chamada de "linha". Um simples laser FP de ganho guiado (gain guided FP laser ), produz um nmero de linhas ao longo de uma gama de comprimentos de onda da chamada "largura espectral". Porque muitas vezes difcil determinar exatamente onde o espectro ou apenas onde uma linha individual comea ou termina, comum citar a largura como uma "Largura Total a Meio Mximo (Full Width Half Maximum - FWHM). Este o ponto em que a amplitude caiu para metade do mximo, como mostrado na Figura.

frequncia

Eg

EFC - EFV

FWHM = Gain bandwidth Optical gain (broadband) Tecnologias de diodos laser


1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)Gain-guided lasersFace espelhadaReflectoraSubstratoN-GaAsElctrodoElctrodoRegio ActivaRegio de Emisso onde JJthLW

n-AlxGa1-xAs (confinamento)p-GaAs (contacto)xido isoladorn-GaAs (Substrato)p-GaAs (camada Activa)p-AlxGa1-xAs (confinamento)Face espelhadaCurrent pathsGain-guided lasers Tecnologias de diodos laserDiodo Laser

dA fim de se obter o efeito laser, por um caminho particular, precisamos de ganho ao longo desse caminho (ganho ptico) para superar as perdas. Podemos ter muito bom controlo do dispositivo laser, se controlarmos a entrada de potncia (corrente na forma de electres e buracos) para a regio activa. Os Lasers que utilizam este princpio, so chamados lasers de "ganho guiado (gain guided lasers).A tcnica tpica usada para guiar a alimentao da regio activa, a de limitar a rea de contacto elctrico com a superfcie do dispositivo. A energia aplicada ao longo de uma tira sobre a parte superior do dispositivo. A corrente fluir predominantemente ao longo do caminho de menor resistncia (o caminho mais curto), como mostrado pelas setas violetas.


Face espelhadaReflectora Tecnologias de diodos laserDiodo Laser Este confinamento horizontal de propagao das ondas EM, atravs da regio activa, assim conseguido pela pequena variao do ndice de refraco, produzido pela corrente que gerou a inverso de populao.Se as ondas EM, se espalham no plano horizontal, para o lado de fora das dimenses horizontais da faixa, sero absorvidas pela regio no excitada da camada activa. Nas direces verticais. os ndices de refraco mais baixos das camadas circundantes, reflectem as ondas de volta para a regio activa.

1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)Gain-guided lasersSubstratoN-GaAsElctrodoElctrodoRegio ActivaRegio de Emisso onde JJthLW

n-AlxGa1-xAs (confinamento)p-GaAs (contacto)xido isoladorn-GaAs (Substrato)p-GaAs (camada Activa)p-AlxGa1-xAs (confinamento)Face espelhadaCurrent paths

dFacilmente haver ganho suficiente ao longo deste caminho (modo longitudinal) para que o efeito laser ocorra, mas para os modos transversais e longitudinais fora da regio de fornecimento de energia, podem no ter ganho suficiente para manter laser.

Feixe ElpticoAssim, temos um feixe estreito de emisso de luz no centro da regio activa.Gain-guided lasers (Cont.)


Gain-guided lasers (Cont.) Tecnologias de diodos laserDiodo Laser A restrio de corrente serve a vrios propsitos:que permite a operao CW com uma corrente limiar razoavelmente baixa (10-100 mA).que pode permitir a operao em modo fundamental ao longo do plano da juno, o que necessrio para as aplicaes onde as ondas EM so acopladas a fibras pticas monomodo.baixos requisitos para a dissipao de calor.Estes lasers so chamados de lasers de ganho guiado porque a distribuio de intensidade ptica na direco lateral, determinada pelo perfil do ganho produzido pela distribuio da densidade de portadores.

Janela de sada


Gain-guided lasers Tecnologias de diodos laserDiodo Laser

A Orientao do ganho pode ser melhorada se colocarmos faixas de material semicondutor (com uma alta energia bandgap) nos lados da regio activa. Por isso, agora j no tm uma camada plana de material activo em toda a dimenso do dispositivo, mas apenas uma faixa estreita no meio.A regio activa est, assim, rodeada por materiais com ndices de refrao mais baixos, tanto na vertical (y) como na lateral (x) - direces transversais - a regio activa est enterrada (por todos os lados) em camadas com menores ndices de refrao (por exemplo INP). Por esta razo, esses lasers so chamados lasers tipo heteroestruturas enterradas buried-heterostructure.

So formadas superfcies espelhadas, (como um guia de ondas) e isso serve para orientar a luz (ou ondas EM) muito melhor do que com a tcnica de ganho de orientado.


Tecnologias de diodos laserDiodo Laser Index-guided lasers (Cont.)

O passo do ndice lateral, ao longo do plano da juno, de cerca de duas vezes maior do que o do efeito dos portadores induzidos. Como resultado, as caractersticas dos lasers dos lasers buried-heterostructure so determinadas principalmente pelo guia de ondas rectangular que confina o modo dentro da regio activa enterrada (buried). As dimenses transversais da regio activa e as descontinuidades de ndice, so escolhidas de modo a que apenas os melhores modos de ordem transversal se possam propagar no guia de ondas.Estes dispositivos de ndices guiados, produzem feixes com uma maior qualidade, emboras tipicamente limitados a uma potncia de apenas algumas centenas de miliwatts. Outra caracterstica importante destes lasers o confinamento dos portadores injectados na regio activa.


Tecnologias de diodos laserDiodo Laser Index-guided lasers (Cont.)

striped electrical contactInsulatorRidge WaveguideCladding LayersElevao (Ridge) em materiais de alto ndice, cria um canal de guia de onda.Tambm combina um contato listrado para o ganho de orientado.Produz um modo laser muito bem confinado.Ideal para o acoplamento em fibra.Laser de baixa corrente limiar.Design de heteroestruturas Enterradas (Buried heterostructure).Fabricao Complexa.

O Confinamento Horizontal produz uma corrente limiar mais baixa e melhor qualidade do feixe de sada.Uma abordagem usar um contacto elctrico listrado (striped).O Tamanho da rea activa, controlado pela geometria da corrente de entrada.


Tecnologias de diodos laserDiodo Laser Estruturas de Diodos Laser e Padro de RadiaoO funcionamento eficiente de um diodo de laser requer a reduo do nmero de modos laterais, estabilizar o ganho para os modos laterais, bem como reduzir a corrente limiar. Estas especificaes so alcanadas com estruturas que confinam a onda ptica, a concentrao de portadores e o fluxo de corrente na direco lateral. Os tipos mais importantes de diodos laser nestas estruturas de so: gain-induced, positive index guided, e negative index guided.

Active LayerCarriers FlowCarriers FlowGain-induced guide

High refractive index RegionsLow refractive index RegionsLight PathsPositive-index waveguide

Low refractive index Regions

High refractive index RegionsLight PathsRadiations lossNegative-index waveguide

-10o0o10o

-10o0o10oLateral Fart-field pattern

Optical intensity20o0o-20o


Tecnologias de diodos laserDiodo Laser Buried Heterostructure LasersA figura seguinte mostra as seces transversais esquemticas de diversos tipos de lasers de heteroestruturas enterradas-. So elas: buried heterostructure- que tambm chamada de etched-mesa buried-heterostructure (EMBH), para os distinguir de outros diodos lasers de BH.double-channel planar buried heterostructure (DCPHB) lasers laser de canal duplo planar de heteroestruturas enterradas.

1)2)Schematic cross sections of buried-heterostructure lasersA fabricao da estrutura EMBH tecnologicamente complexa e so necessrios dois passos de crescimento epitaxial. Menos crtico o laser DCPHB embora tambm necessite de dois passos epitaxiais. Existem outras estruturas que so mais fceis de fabricao, mas no as vamos discutir aqui.


Laser typeLaser structureRadiationConfinement

HomojunctionSingleHetereojunction

p-GaAsn-GaAsp-GaAsActive RegionHetereojunctionp-GaAsActive Region

n-GaAsP-GaAlAsDoubleHetereojunctionHetereojunctions

n-GaAsP-GaAlAsn-GaAlAsp-GaAsActive RegionHetereojunctionsp/n-GaAsActive Region

p-GaAsP-GaAlAsn-GaAsn-GaAlAsCurrent

High Electrical Resistance Material

Gain-guidedstripeBuried Hetereojunction(Index-guided stripe geometry)

n-GaAlAsn-GaAsn-GaAsActive RegionOxidep-GaAlAsHetereojunctionsGood radiation confinement in both Horizontal and Perpendicular PlanesDiodo Laser Estruturas e confinamentos:A little confinement in paper Plane.Good confinement in one side in Perpendicular Plane (paper).Good confinement in both sides in Perpendicular Plane (paper).


Tecnologias de diodos laserDiodo Laser Gain vs. index-guided structure LasersHistoricamente, os dispositivos de ganho guiado (gain-guided lasers) com base na geometria de faixa, foram desenvolvidos tendo em vista a sua facilidade de fabricao. No entanto, os gain-guided lasers exibem correntes limiar superiores aos lasers de ndice guiados (index-guided lasers) e tm outras caractersticas indesejveis, que os tornam piores, medida que o comprimento de onda aumenta.Em contraste, a fabricao de lasers de ndice fortemente guiado requer um nico crescimento epitaxial sobre superfcies no planas ou dois crescimentos epitaxiais e, alm disso, muito cuidado no processamento. Apesar destas dificuldades na fabricao, as suas caractersticas de desempenho superior - baixa corrente de limiar, a operao modo fundamental estvel, e boas caractersticas de modulao a alta velocidade - torna-os um excelente candidato para aplicaes de alto desempenho.


Diodo Laser O laser Fabry-Perot, pode ser modificado, colocando algo na cavidade que vai dispersar as frequncias indesejadas, antes que elas atinjam o limiar da emisso de laser. H um certo nmero de alternativas, mas a forma mais comum o de colocar uma grade de difraco no interior da cavidade. Quando isto feito, o laser pode produzir uma largura de linha espectral muito estreita (tipicamente 0,2-0,3 nm). Os Lasers que utilizam este princpio so chamados feedback distribudo (DFB) ou de reflectores de Bragg distribudos (DBR). Tecnologias de diodos laserLasers Multimodo ou MonomodoOutros lasers usam uma cavidade externa ao prprio dispositivo - estes so chamados de "lasers de cavidade externas". Isso permite que numa longa cavidade, se pode colocar uma grade de difrao num dos espelhos finais, que pode obter uma largura de linha muito estreita, de facto. Outros lasers usam uma cavidade externa ao prprio dispositivo - estes so chamados de "lasers de cavidade externas". Isso permite que numa longa cavidade, se pode colocar uma grade de difrao num dos espelhos finais, que pode obter uma largura de linha muito estreita, de facto.


Tecnologias de diodos laserDiodo Laser Lasers Multimodo ou MonomodoO laser de comunicaes pticas mais comum, chamado de laser "Fabry-Perot como os que vimos anteriormente. Em muitas situaes, este tipo de laser tem um bom desempenho. laser "Fabry-Perot." laser DFBNo entanto, porque produz uma largura espectral relativamente ampla, no considerado adequado para aplicaes de longas distncias, recepo coerente, ou multiplexagem por comprimento de onda.O laser Fabry-Perot, pode ser modificado, colocando algo na cavidade que vai dispersar as frequncias indesejadas, antes que elas atinjam o limiar da emisso laser. H um certo nmero de alternativas, mas a forma mais comum o de colocar uma grade de difraco no interior da cavidade


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Tecnologias de diodos laserDiodo Laser Lasers Monomodo ( Single frequency Lasers)

Espelho AREspelho HRRegio ActivaGradeamento (seleco do modo e distribuio de espelhos)Distributed Feedback (DFB) LasersGanho dirigido

Todos os elementos so combinados e distribudos ao logo de todo o comprimento.

Distributed Bragg Reflectors (DBR) LasersEspelho traseiroGanho dirigidoElementos separados em bases individuais.

Espelho ARGanho dirigidoLente colimaoEspelho de gradeamento exteriorExternal Cavity LasersBloco de Ganho+ lente e gradeamento externos .Vertical Emitting lasers (VCSELs)Emisso vertical com pequena cavidade, para seleco dos modos.

Correntexidos

Camada ActivaEspelho Top(99% Reflex)

Cavidade

Espelho Bottom(99,9% Reflex)


Tecnologias de diodos laserDiodo Laser Os Lasers padro de Fabry Perot, no so selectivos no comprimento de onda. Isto conduz a modos de laser mais elevados e permite modos de saltos. Ento a questo , como que a seleco de comprimento de onda pode ser alcanada. Cavidades pticas mais curtas, no so praticveis, uma vez que muito difcil lidar com microplacas. Outro mtodo possvel consiste em inserir uma realimentao ptica no dispositivo, para eliminar outras frequncias.Gradeamentos peridicos, podem ser incorporados dentro do guia de ondas do laser, que podem ser utilizados como um meio de realimentao ptica. Os dispositivos que integram a grade na regio bombeio, so denominados lasers Distributed Feedback (DFB), enquanto que aqueles que incorporam a grade na regio passiva, so denominados de laser Distributed Bragg Reflector (DBR).Os Lasers DFB e DBR oscilam num modo longitudinal nico, mesmo sob a modulao de alta velocidade, em contraste com os lasers de Fabry-Perot, que exibem o modo de oscilao longitudinal mltiplo quando pulsados rapidamente.Lasers Monomodo ( Single frequency Lasers) -Lasers DBR e DFB


Distributed Bragg Reflector DBR : um reflector usado em guias de ondas, sendo uma estrutura formada a partir de camadas mltiplas alternadas de materiais com diferentes ndices de refraco, ou atravs de variaes peridicas de uma caracterstica (tais como a altura) de um guia de ondas dielctrico, resultando em variaes peridicas no ndice de refraco efectivo do guia. Cada camada limite provoca uma reflexo parcial de uma onda ptica. Para ondas cujo comprimento de onda cerca de quatro vezes a espessura ptica das camadas, as vrias reflexes combinam-se numa interferncia construtiva e as camadas actuam como um reflector de alta qualidade. A gama de comprimentos de onda que so refletidos chamado de photonic stopband. Dentro desta gama de comprimentos de onda, a luz "vetada" para se propagar na estrutura.A reflectividade R dos DBRs, para a maior intensidade aproximadamente dada por:

onde n0, n1, n2 e ns, so os respectivos ndices de refraco do meio de origem, dos dois materiais alternantes, e o meio de terminao (isto , suporte ou substrato), e N o nmero de repetio dos pares de material baixo/ alto ndice de refraco.A largura de banda da photonic stopband. (0), pode ser calculada pela:Onde 0 o comprimento de onda central da banda

Lasers Monomodo ( Single frequency Lasers) -Lasers DBR e DFB Tecnologias de diodos laserDiodo Laser


Reflectores DBR - as grades ou refletores de Bragg distribudos (DBRs) so utilizados para um ou ambos os espelhos da cavidade. Contudo, a grade, constituda por ondulaes com uma estrutura peridica.Eles so utilizados devido sua selectividade da frequncia operao de modo axial nica. O perodo de gradeamento escolhido como a metade do comprimento de onda ptica mdia, o que leva a uma interferncia construtiva entre os feixes reflectidos. Reflexes significativas podem tambm ocorrer em frequncias harmnicas do meio. As ondulaes so tipicamente gravadas na superfcie do guia de ondas, e estes so preenchidos com um material de ndice diferente, durante um segundo crescimento epitaxial.

Lg

rg

rg

d1L1n1

d2L2n2Schematic of a DBR mirrorO conceito da grade que muitas reflexes se podem somar a uma grande reflexo em cadeia. Na frequncia Bragg, as reflexes de cada descontinuidade somam-se exactamente em fase. medida que a frequncia desviada da condio de Bragg, as reflexes de descontinuidades retornam na grade progressivamente com maior desfasamento.Lasers Monomodo ( Single frequency Lasers) -Lasers DBR e DFB Tecnologias de diodos laserDiodo Laser


Lasers Monomodo ( Single frequency Lasers) -Lasers DBR e DFB Tecnologias de diodos laserDiodo Laser Os parmetros guia de onda/fibra relacionados a com a lei de Bragg.Constante de propagao:

Fase da onda que se propaga:

Para cada um das contribuies reflectidas adicionadas em fase:

( m inteiro positivo)

(Condio de Bragg)naverageDesvio do comprimento de onda de Bragg

(Constante de acoplamento da grade)(Intensidade espectral nos cortes ou picos de Bragg)

(Reflectividade ao comprimento de onda de Bragg)

nmodulation


Os meios pticos compostos de ndice de refrao periodicamente estratificado, podem desviara coerentemente a radiao electromagntica de comprimento de onda especfico em propores especficas: Grades de Longo Perodo (LPGs).Lasers Monomodo ( Single frequency Lasers) -Lasers DBR e DFB Tecnologias de diodos laserDiodo Laser Os parmetros guia de onda/fibra relacionados a com a lei de Bragg (Cont.).Uma Grade de Longo Perodo desacopla a luz guiada ,do ncleo para a rea de revestimento (cladding ):Acoplamento de um modo de guiado para um modo de revestimento discreto.

2 - 1 = 2k/2 : core mode1 : cladding mode: LPG period(neffcore - neffclad) LPG= LPGTypical transmission spectrum of LPG exhibiting transmission resonance associated with LPG facilitated phase matching to a copropagating cladding modes.


Tecnologias de diodos laserDiodo Laser A demonstrao mais comum da difraco de Bragg, o espectro de cores observadas, reflectida a partir de um disco compacto (CD): as faixas estreitamente espaadas sobre a superfcie do disco, formam uma grade de difraco, em que os comprimentos de onda individuais da luz branca, so difractados em diferentes ngulos a partir dele, de acordo com a lei de Bragg.

Difraco de Bragg na natureza

As cores estruturais das asas das borboletas (ou besouros), so produzidas por nanoestruturas peridicas de quitina e ar, escaladas nas asas.As escalas nas asas, so dispostos numa srie de linhas como telhas numa casa. As cores estruturais das borboletas e mariposas tm sido atribudas a uma diversidade de mecanismos fsicos, incluindo interferncia de camadas mltiplas, difraco, espalhamento de Bragg, disperso Tyndall e espalhamento Rayleigh.

Lasers Monomodo ( Single frequency Lasers) -Difraco de Bragg


Tecnologias de diodos laserDiodo Laser Lasers Monomodo ( Single frequency Lasers) -Lasers DFBQuando queremos usar lasers para comunicaes a longa distncia, descobrimos que lasers padro PF tm problemas significativos. Os lasers de realimentao distribuda (Distributed FeedBack lasers - DFB), so uma resposta a este problema.A ideia, colocar uma rede de Bragg na cavidade de um laser FP de ndice guiado. A presena da grelha faz com que as pequenas reflexes ocorram em cada mudana de RI (enrugamento). Quando o perodo das ondulaes um mltiplo do comprimento de onda da luz incidente, ocorre uma interferncia construtiva entre os reflexos, e uma parte da luz reflectida. Os outros comprimentos de onda sofrem uma interferncia, destrutiva, e portanto, no podem ser refletidos. O efeito mais forte quando o perodo da rede de Bragg igual ao comprimento de onda da luz utilizada (grau de primeira ordem). No entanto, o dispositivo funcionar nmero inteiro mltiplo do comprimento de onda , no entanto apenas um modo (o que est de acordo com o comprimento de onda ) pode ter o efeito laser.Em princpio, um laser DFB no precisa de espelhos finais. A grade pode ser feita forte o suficiente, para produzir um feedback suficiente (reflexo) para o lasing ter lugar.Uma maneira de melhorar a eficcia do dispositivo, colocar um espelho de elevada reflectncia no final duma extremidade da cavidade, e na face de sada ser clivada ou com um revestimento AR.O gradeamento de Bragg usado para reduzir a largura espectral do espectro do laser e s permite propagar o comprimento de onda selectivo, actuando tambm como um espelho.


Tecnologias de diodos laserDiodo Laser Lasers DBR e DFB - Distributed Bragg Reflector (DBR) LaserDBR Laser: pode ser formado por substituio de um ou ambos espelhos discretos do laser, por uma grelha de reflectora passiva .A Figura mostra um esquema de um tal laser com um espelho de grelha. Alm da propriedade de frequncia nica provida pela selectividade dos espelhos de grade, este laser pode incluir uma ampla sintonia. Uma vez que o ndice de refraco depende da densidade de portadores, pode-se extrapolar para variar electro opticamente o ndice de refraco nas seces separadas por elctrodos.

A sintonia (tunability), potencial dos lasers DBR uma das principais razes pelas quais eles so de grande importncia. Como indicado na figura, h geralmente temos trs seces, uma activo, uma passiva, e a grade passiva. A primeira fornece o ganho, a segunda permite o controlo independente do modo fase, e a grade um filtro de modo selectivo. Pela aplicao de uma corrente ou de tenso s seces, o ndice de refraco altera-se, deslocando os modos axiais da cavidade.


Etch ridge

Insulate and contact

Etch grating

Tecnologias de diodos laserDiodo Laser Lasers Monomodo ( Single frequency Lasers) -Lasers DFB


Ridge etch:- Smooth side walls (otherwise scattering, interfere with grating)Not too shallow (current spreading)Not too deep (mode loss)Narrow (single spatial mode)

Grating:Very close to the ridgeCannot punch through active region (lossy)

Insulation and contact:Define current pathHeatspreading

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Bottom contactSubstrateTop contactGratingCladding (P)Active layerCladding (N) Tecnologias de diodos laserDiodo Laser Lasers Monomodo ( Single frequency Lasers) -Lasers DFBA largura espectral do espectro do laser extremamente estreita e adequada para o sistema de comunicaes pticas, especialmente no sistema WDM. Os Laser DFB foram propostas em 1960, mas s foram desenvolvidos comercialmente a partir de 1980,

Gradeamento distribudos por toda regio activa.Perodo do gradeamento:

Onda de Bragg:


DFB laser Regio Activa~ sub-m (AR) d ~ 100 m Tecnologias de diodos laserDiodo Laser Lasers Monomodo ( Single frequency Lasers) -Lasers DFB

Gradeamento distribudos por toda regio activa.Perodo do gradeamento:

Onda de Bragg:(HR) Single longitudinal mode (Distributed feedback laser diode DFB), so usados em sistemas de telecomunicaes ou de transmisso de dados atravs de sistemas pticos. Aqui, o comprimento de onda do diodo laser importante, mas os diodos de laser no so particularmente estveis, a este respeito, com comprimento de onda variando de acordo com a temperatura, a tenso, o envelhecimento, etc. Uma grelha de difraco est inserida perto da juno p-n do diodo, para auxiliar na estabilizao do comprimento de onda da luz gerada, esta grade actua como um filtro ptico, fazendo com que um nico comprimento de onda seja realimentado para a regio de ganho. A graduao da grade definida durante a fabricao, e isso s varia um pouco com a temperatura.




SubstractConfining (p-GaAlAs)Passive waveguide (p-GaAlAs)Active Layer (p-GaAs) Guiding Layer (n-GaAlAs) Confining Layer (n-GaAlAs)Active (pumped) Region


A maior aplicao dos lasers feedback distribudo, de longe, em sistemas de transmisso de fibra ptica. Comercialmente, a maior parte vendido juntamente com fibras; potncias de sada tpicas variam de 1 a 35 mW na fibra.


A camada ondulada, a chamada camada de guiamento, fica paralela camada activa.Na estrutura DFB, onda propagante, reflecte-se parcialmente e, periodicamente, medida que se propaga.


Ideal lasing emissionllBOptical pow

semicondutores: - diodos laser

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