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Semicondutores - Diodos laser

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Information about Semicondutores - Diodos laser
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Published on February 15, 2014

Author: MarioTimotius

Source: slideshare.net

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Funcionamento Básico de diodos laser.
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Semicondutores: - Diodos Laser Diodos Laser 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 1

Semicondutores: - Diodos Laser Laser  Em 1960, Theodore Maiman anunciou o funcionamento do primeiro maser óptico, ou laser, cujo o meio activo era um cristal de rubi.  O laser é considerado uma das maiores invenções do século 20 sendo sinónimo de alta tecnologia. A tecnologia laser é uma ferramenta muito importante em diversas áreas, como por exemplo, na medicina onde é utilizado em cirurgias e em telecomunicações, servindo de fonte nas transmissões de sinais ópticos. Até há pouco tempo atrás, os lasers eram considerados objectos exóticos, usados apenas em laboratórios de pesquisa, projectos militares, grandes indústrias e filmes tipo Guerra nas Estrelas. Hoje, a grande maioria da população possui pelo menos um laser em casa: o que está na aparelhagem de tocar CDs (compact disk). Além disso, é possível encontrá-los na vida cotidiana, como por exemplo, em supermercados nos leitores ópticos de código de barras, e em impressora a laser, discos rígidos de PCs, rapto dos PCs, apontadores de aulas interactivas…  O primeiro laser – um laser de rubi, devido a Maiman, contém todos os elementos fundamentais que continuam a estar presentes nos lasers actuais, desde os mais simples, até aos mais complexos. O primeiro laser civil em Portugal, que esteve em exibição na exposição “À Luz de Einstein”, na Fundação Calouste Gulbenkian, é semelhante ao primeiro desenvolvido por Maiman e ilustra os componentes fundamentais de qualquer laser. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 2

Semicondutores: - Diodos Laser Laser  Emissão laser só é possível quando ganho supera as perdas! Ganho ocorre pela inversão de população (ou seja, níveis de energias mais altos, mais ocupados que níveis mais baixos); requer confinamento de portadores e fotões; resultando na geração de emissão estimulada. E  O nível Bombeado é instável, pelo que o electrão, logo salta para um nível ligeiramente inferior.  O electrão relaxa para um nível inferior de energia, libertando um fotão.  …Produz dois fotões do mesmo comprimento de onda e com a mesma fase.  Os espelhos reflectem parcialmente os fotões … emissão estimulada…  Luz e um electrão em estado excitado… 15-02-2014 Por : Luís Timóteo Espelho Espelho  O electrão é Bombeado para um nível de energia superior. E 3

Semicondutores: - Diodos Laser Laser  Sistema Laser Constituição 1. Meio activo (ganho), que pode amplificar a luz que passa através dele. 2. Fonte de energia da bomba para criar uma inversão de população em meio de ganho. 3. Dois espelhos que formam uma cavidade ressonante. Espelho de Alta Reflexão Meio Activo Espelho de Transmissão Parcial Mecanismo de Realimentação Mecanismo de Excitação O laser só pode funcionar se a energia do feixe aumentar a cada passagem pelo meio activo, Na maioria dos casos, o estado excitado tem uma vida muito breve, na ordem de 10 nanosegundos (1ns = 10-9s). E logo o átomo retorna ao estado fundamental. Entretanto, há átomos dotados de uma particular estrutura de níveis energéticos tal, que a excitação acarreta uma situação menos instável. Uma vez excitado, o átomo pode manter esse estado por lapsos de tempo muito superiores a 10 nanosegundos: milionésimos, milésimos, alguns segundos ou mesmo horas. Tais níveis são chamados metaestáveis. Para o efeito laser empregam-se, na prática, átomos dotados de níveis metaestáveis de energia. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 4

Semicondutores: - Diodos Laser Semicondutores Lasers Izuo Hayashi e Morton B. Panish conceberam e desenvolveram em 1971 o primeiro laser semicondutor a operar continuamente (regime CW) à temperatura ambiente. O funcionamento de lasers semicondutores é baseado na amplificação de luz, na região activa de um material semicondutor. A maioria dos lasers semicondutores usam transições quânticas radiativas entre duas bandas permitidas de energia dum semicondutor: a banda de condução (BC) e a banda de valência(BV). A região activa do laser baseado em transições interbandas é caracterizada por uma distribuição de não-equilíbrio termodinâmico de portadores, o qual, na banda de condução tem a forma típica de um semicondutor do tipo n degenerado, e na banda de valência, de um semicondutor tipo-p. O método mais importante para o bombeamento dos lasers semicondutores, é a injecção através de Junções p-n ou heterojunções, o que permite a conversão directa da energia eléctrica em radiação coerente. Lasers semicondutores bombeado através deste método são chamados de "lasers de injeção" ou "diodos laser” Nos lasers de injecção, duplamente degenerados, a região activa é criada por um fluxo de corrente directa elevada, através do diodo semicondutor, induzida por injecção de portadores em excesso na camada adjacente à junção. Os lasers de semicondutores com base em heteroestruturas são os mais utilizados, devido à sua densidade de corrente limiar moderada à temperatura ambiente. Os heterolasers mais eficazes contêm duas heterojunções: uma junção p-n que injecta electrões (emissor) e a junção p-p que limita a difusão de portadores para fora da camada activa, que se encontra entre as duas heterojunções. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 5

Semicondutores: - Diodos Laser Semicondutores Lasers Diferenças básicas entre lasers de semicondutor e lasers ópticos tradicionais: Lasers Semicondutores Lasers tradicionais Ocupação dos níveis de energia descrita por uma função-distribuição Fermi-Dirac; f (E) 1 e E E f KT f (E) 1  A característica espacial da onda electromagnética gerada, depende do “meio” de junção. 15-02-2014 Ocupação dos níveis de energia descrita por uma função-distribuição De Boltzmann; e ( E EF ) KT A característica espacial da onda electromagnética gerada, depende de características do ressonador óptico. Por : Luís Timóteo 6

Semicondutores: - Diodos Laser Semicondutores Lasers Diferenças básicas entre Diodo laser e Diodo Emissor de luz (LED) Diodo Laser LED Radiação estimulada. Largura de linha estreita. Luz coerente. Maior potência de saída. Um dispositivo de patamar. Forte dependência da temperatura. Maior eficiência de acoplamento a uma fibra óptica. 15-02-2014 Radiação espontânea. Amplo espectro. Luz incoerente. Menor potência de saída. Nenhuma corrente limiar. Faca dependência da temperatura. Menor eficiência de acoplamento a fibra óptica. Por : Luís Timóteo 7

Semicondutores: - Diodos Laser Semicondutores Lasers Comparação com outros sistemas de laser  As seguintes características, distinguem os diodos laser de outros lasers: Compactos. são construídos num único chip que contém tudo o necessário para um laser. Isso permite que os lasers semicondutores sejam inseridos noutros instrumentos. Alta eficiência de até 50%. Isto lhes permite serem alimentados por fontes de baixo consumo de energia elétrica, comparado a outros lasers. Excitação directa com pequenas correntes eléctricas, de modo que os circuitos baseados em transistores convencionais podem alimentar e controlar o laser. Possibilidade de modulação directa com a corrente aplicada. Pequena cintura do feixe Baixos custos, devido à produção em massa e alta fiabilidade fez deles um componentechave em várias aplicações. No entanto, eles também têm algumas desvantagens: Eles são altamente sensíveis à temperatura. Embora isso permita uma ampla variação do comprimento de onda, é indesejada para a maioria das aplicações. Feixe altamente divergente. Outra importante característica indesejada. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 8

Semicondutores: - Diodos Laser Semicondutores Lasers Conceitos básicos de um Laser semicondutor: Existem, basicamente, três processos de interacção dos electrões do semicondutor com os fotões: • Absorção – Geração de um par electrão-lacuna • Emissão espontânea – Recombinação radiativa não induzida • Emissão estimulada – Recombinação radiativa induzida -Vejamos, agora, quais são as condições de emissão e de absorção de fotões: A absorção: de um fotão com energia hv=Eg, cria um par electrão lacuna Eg= EC‐ EV. Se a energia do fotão for hν>Eg, esta energia “extra” corresponde á energia cinética dos electrões sobre da banda de condução Ec=hν‐Eg. A emissão espontânea: ocorre quando um electrão da banda de condução se recombina com uma lacuna da banda de valência emitindo um fotão com a energia hv= Eg. A emissão estimulada: ocorre quando o fotão estimula a recombinação de electrões da banda de condução com buracos da banda de valência, e emitindo outro fotão com o mesmo comprimento de onda e fase. Os fotões “extra” criam novos pares electrão lacuna e mais fotões são libertados. Num laser semicondutor, existem sempre estes três processos básicos de transição entre níveis (ou bandas) de energia. Enquanto que a emissão espontânea não depende da população de fotões, o mesmo não acontece com as transições induzidas (i.e., absorção e emissão estimulada). Com efeito, as taxas correspondentes a transições induzidas são proporcionais ao número de fotões. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 9

Semicondutores: - Diodos Laser Semicondutores Lasers Conceitos básicos de um Laser semicondutor: Existem três tipos de transições que são importantes nos diodos laser, que ocorrem entre a banda de condução e a banda de valência do material: Absorção estimulada; Emissão espontânea; Emissão estimulada. BC BC h h BV Absorção estimulada BC h BV h h BV Emissão espontânea Emissão Estimulada Depois de definir R (abs), R (espon), R (estim) como a taxa de absorção, emissão espontânea e emissão estimulada, respectivamente, a relação entre os três processos podem ser descritos através da seguinte equação: R (abs) = R (espon) + R (estim) 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 10

Semicondutores: - Diodos Laser Semicondutores Lasers Conceitos básicos de um Laser semicondutor: O objetivo de um laser é amplificar a luz através de emissão estimulada. Para que o número de fotões aumente, é necessário que a taxa de emissões estimuladas seja maior que o numero de absorções, ou seja: Ou seja, a emissão espontânea + estimulada, têm que ser superiores á absorção. Que substituindo por um sistema de dois níveis, tem-se a condição: Esta condição, é denominada Inversão de População! Não pode ser atingida na condição de equilíbrio térmico. Um Laser deve operar fora do equilíbrio, portanto, e deve-se manter uma situação de inversão. Quando a condição de inversão de população é alcançada, haverá um ganho líquido do número de fotões ou da Intensidade óptica. Condições para a acção laser: Inversão de população = injecção de electrões. Realimentação (ganho superior às perdas). 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 11

Semicondutores: - Diodos Laser Semicondutores Lasers Conceitos básicos de um Laser semicondutor:  No caso dos lasers semicondutores, espelhos exteriores não são necessários, porquanto as duas faces clivadas do laser, agem parcialmente como espelhos reflectores. Injecção de corrente Semicondutor como um meio de ganho O princípio básico: com a criação da “inversão Região activa de população”, a emissão estimulada torna-se mais prevalente do que a absorção. Faces clivadas A inversão de população é geralmente atingida por injecção eléctrica de corrente, de alguma forma no díodo de junção p+ - n+ (também possível através de bombeamento óptico para efeitos de pesquisa). Meio de ganho Feixe Laser R1 Comprimento da Cavidade - d R2 Com a polarização directa, pares de transportadores são injectados na região da junção, onde se recombinam através da emissão estimulada.  Iremos discutir o ganho dos semicondutores (diodos) e largura de banda, através de bombeamento eléctrico. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 12

Semicondutores: - Diodos Laser Semicondutores Lasers Conceitos básicos de um Laser semicondutor: Inversão de População Isto define a “inversão de população” num semicondutor. Os níveis de quaseFermi são determinados pelos níveis de injecção: (EFC-EFV=eV Eg onde V, é a tensão de polarização…)  E2 EFC, E1 EFV  Re( ) > Ra( ) : E BC E2 EFC Taxa de emissão estimulada maior que a taxa de absorção… Optical gain (broadband) h K E1 BV 15-02-2014 EFC - EFV Eg FWHM = Gain bandwidth EFV frequência Por : Luís Timóteo 13

Semicondutores: - Diodos Laser Semicondutores Lasers Conceitos básicos de um Laser semicondutor: Cavidade ressonante Ganho não é o único requisito o para ter acção ou efeito laser. Exige‐se um ressonador. O mais comum é o ressonador Fabry‐Perot formado por dois espelhos (faces clivadas) paralelos com uma cavidade de comprimento L onde acontece a realimentação óptica. Espelhos Junção p-n Cavidade p-GaAs h n-GaAs R1 L Região Activa R2 De preferência uma das faces clivadas deve ter revestimento (coating) com 100% de reflectividade e a outra deve ser de reflexão parcial, de modo que a luz do laser possa ser extraída do meio activo. Realimentação Óptica: A luz é reflectida pelos duas faces formando um padrão de onda estacionária que é formado para certos comprimentos de onda ressonantes. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 14

Semicondutores: - Diodos Laser Semicondutores Lasers Conceitos básicos de um Laser semicondutor: Cavidade ressonante. Os Fotões, que são emitidos para o guia de ondas, entram num vaie-e-vem, desde que sejam reflectidos pelas faces. A distância entre os dois espelhos é o comprimento da cavidade, L. Os fotões vibram num vai-e-vem dentro do guia de ondas da cavidade, amplificando-se , e depois saem… Sai do meio de ganho… L R1 g R2 O processo de emissão estimulada gera um aumento de fotões á medida que eles viajam ao longo do guia de ondas… 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 15

Semicondutores: - Diodos Laser Semicondutores Lasers Conceitos básicos de um Laser semicondutor: Cavidade ressonante Fabry-Perot.  Se a frequência de uma onda "corresponde" às ​dimensões do dispositivo de ressonância (frequência de ressonância), - o comprimento da cavidade será igual a um número inteiro de meios comprimentos de onda, e formar-se-á uma onda estacionária. Todos os componentes de outras frequência serão cancelados por uma interferência destrutiva. M1 M2 A M1 m= 1 m= 2 R~ 0.8 R~ 0.4 f 1 m= 8 (a) (b) (a) Reflected waves interfere. I inc (1 R ) 2 (1 R ) 2 4Rsin 2 (kL) © 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall) 15-02-2014 Relative intensity m B L I trans M2 m- 1 m m+ 1 (c) (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. Resonant m odes : kL m m 1,2,3,.. R: reflectance of the optical intensity, k: optical wavenumber Por : Luís Timóteo 16

Semicondutores: - Diodos Laser Semicondutores Lasers M1 M2 Conceitos básicos de um Laser semicondutor: Cavidade ressonante Fabry-Perot. Vejamos uma onda arbitrária, a viajar do espelho do lado esquerdo para o lado direito… No “espelho” do lado direito, a onda sofre uma mudança 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 padrão estável chamado de onda estacionária. Um ressonador pode suportar apenas uma onda com um determinado comprimento de onda, a onda que se forma um padrão de onda estacionária. O ressonador suporta uma onda com o comprimento de onda = 2L / m; 2L / m 1, 2, 3….) Podem existir muitos comprimentos de onda. Os comprimentos de onda seleccionados por um ressonador são 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 é formado por um ressonador e um meio activo, e a radiação é o resultado da sua interacção, só poucos comprimentos de onda ressonantes que dentro da curva de ganho, podem ser irradiados. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 17

Semicondutores: - Diodos Laser Semicondutores Lasers Conceitos básicos de um Laser semicondutor: Cavidade ressonante Fabry-Perot. Quando o ganho da intensidade óptica é suficientemente maior que as perdas devido à absorção no guia de ondas que os espelhos transmitem, ou seja, a corrente limiar é alcançada, a cavidade atinge o limar laser. modos longitudinais (ondas estacionárias): 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 18

Semicondutores: - Diodos Laser Semicondutores Lasers Conceitos básicos de um Laser semicondutor: Cavidade ressonante Fabry-Perot. A distância entre os picos adjacentes dos comprimentos de onda ressonantes numa cavidade de Fabry-Perot é a faixa espectral livre (FSR- Free Spectral Range). FSR Sendo L a distância entre os espelhos reflectores, num dispositivo de índice de refracção n, então no pico do comprimento de onda do a FSR é dada por: 2 FSR 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 2nL 19

Semicondutores: - Diodos Laser Semicondutores Lasers Conceitos básicos de um Laser semicondutor: Cavidade ressonante Fabry-Perot. Os Modos longitudinais na cavidade do laser, correspondem a ondas estacionárias entre os dois espelhos. Se assumirmos reflexão total nos espelhos, essa onda contém N/2 períodos onde m é um número inteiro. Para um comprimento de onda dado , a que corresponde um índice eficaz eff, dá: 2 L m eff Effective refractive index neff 2 L  A Cavidade Laser Fabry-Pérot, pode suportar vários modos de Oscilação : É Laser Multimodo  Na operação de uma frequência simples (monomodo), todas as componentes longitudinais devem ser suprimidas excepto uma. Isto pode ser conseguido através de diferentes abordagens:  Cavidade de acoplamento clivado- (C3) lasers.  Lasers de cavidade externa.  Lasers de reflectores Bragg distribuídos (DBR).  Laser de feedback distribuídos (DFB) As fontes de luz mais utilizadas para alta taxas de transmissão a longa distância são os Lasers DBR e DFB. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 20

Semicondutores: - Diodos Laser Semicondutores Lasers Conceitos básicos de um Laser semicondutor: Cavidade ressonante Fabry-Perot. Condição “Lasing” Combinada com as perdas no guia de ondas , a emissão estimulada produz um ganho líquido por unidade de comprimento, g .O número de fotões pode, pois, ser mantido se a amplificação de ida e volta na cavidade de comprimento L, incluindo a reflexão nos espelhos com reflectividade R1 e R2, é igual a unidade.  Isso conduz á condição “lasing” a seguinte:  O ganho requerido necessário é igual a:  As perdas nos espelhos é igual a:  Potência de saída é igual a: 2 neff R1 R2 exp g g 1 1 1 ln 2L R1 R2 1 1 ln L R1 R2 Mirror loss Po hv (I q I TH ) The propagation constant of the waveguide is where neff is the effective refractive index, and 15-02-2014 L Por : Luís Timóteo is the wavelength. 21

Semicondutores: - Diodos Laser Semicondutores Lasers Conceitos básicos de um Laser semicondutor: Cavidade ressonante Fabry-Perot. Modos Longitudinais... Modos Longitudinais possíveis Perfil do Ganho Distribuição do Ganho Perdas da cavidade Comprimento de onda A cavidade óptica excita vários modos longitudinais. Modos com ganho acima das perdas da cavidade tem o potencial para efeito laser. A distribuição do Ganho depende da banda de emissão espontânea. O comprimento de onda de cada um dos modos longitudinais, depende da reflectividade das faces terminais. O comprimento de onda de separação dos modos ( depende do comprimento da cavidade. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 22

Semicondutores: - Diodos Laser Semicondutores Lasers Conceitos básicos de um Laser semicondutor: Cavidade ressonante Fabry-Perot. Definições da cavidade laser e características de saída do feixe laser . Espelho Dieléctrico  O comprimento determina os modos longitudinais , a largura e a Fabry-Perot cavity altura da cavidade determinam os modos transversais ou laterais.  Com W e H relativamente pequenas, apenas o modo transversal mais baixo (TEM00) existirá. Comprimento L Altura H Largura W © 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)  Nos modos longitudinais, a separação depende do comprimento da cavidade. Feixe elíptico Nota: o feixe de laser de saída limitado por apresenta difracção, devido à divergência nas extremidades da difracção cavidade. Quanto menor a abertura, maior será a difracção. O espectro desenvolvido pode ser multimodo ou modo simples (monomodo), determinado pela geometria do ressonador óptico e o pelo nível da corrente injectada. Note-se que a transição para multimodo a baixa potência, e para monomodo a alta potência. LDs de ganho guiado (.Gain guided LDs) tendem a permanecer em multimodo. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 23

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Diodo Laser de Injecção – (Injection Laser Diode)  Os Diodos laser, são lasers semicondutores, bombeados electricamente, em que o ganho é gerado por uma corrente eléctrica que flui através da junção p-n ou (mais frequentemente) numa estrutura p-i-n. Nas heteroestruturas, os electrões e buracos podem-se recombinar, libertando pacotes de energia conhecidos como fotões. Este processo pode ser espontâneo, mas também pode ser estimulado por fotões incidentes, efeito que conduz a uma amplificação óptica, com uma realimentação óptica em oscilações num ressonador laser, baseando afinal, o seu funcionamento em três processos básicos: Absorção, Emissão Espontânea e Emissão Estimulada… Semicondutor Laser de “Bombeio” Óptico – (Optically Pumped Semiconductor Laser)  A maioria dos lasers semicondutores são baseados em diodos laser, mas também há os lasers semicondutores bombeados opticamente, que não necessitam de uma estrutura de diodo e, portanto, não pertencem à categoria dos diodos lasers.  Princípio dos Diodos Laser  Os Diodos laser são normalmente construídos como lasers emissores de bordo (edge-emitting lasers) , em que o ressonador laser é formado pelas faces finais, revestidas ou não 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 óptico (duplo confinamento).  O fluxo de corrente é limitado à mesma região, por vezes, utilizando barreiras de isolamento. Tais arranjos podem conduzir a um bombeio de relativamente baixa potência e alta eficiência. A região activa é geralmente muito fina - muitas vezes tão fina que age como um poço quântico (quantum well). Em alguns casos, são usados ​pontos quânticos. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 24

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Estrutura de bandas dos semicondutores Num cristal, os níveis de energia discretos do átomo individual , são expandidos em bandas de energia. Cada estado quântico do átomo individual, dá origem a uma certa banda de energia. As combinações de ligação de estados, tornam-se na banda de valência (BV) do cristal, e as combinações de anti-ligação desses estados, se transformam na banda de condução (BC). A diferença de energia entre a BV e a BC, é chamada “gap” de energia ou zona proibida. Se a banda de valência (BV) está parcialmente cheia, esse material é do tipo-p, se as banda de condução (BC) está parcialmente cheia, esse material é do tipo-n. Aqui, o nível de Fermi é usado para identificar as condições de ocupação dos electrões no semicondutor, é o nível de energia ocupado pelos electrões. O Nível de Fermi num semicondutor tipo-p (EFP), está perto da banda de valência (BV) e num semicondutor tipo-n (EFN) está perto da banda de condução (BC). 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 25

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Estrutura de bandas dos semicondutores Quando dois semicondutores, com estruturas de bandas diferentes são combinados, é formada uma heterojunção. Uma heterojunção p-n é chamada de diodo. Electrões e lacunas transferem-se de um para o outro lado, devido aos diferentes níveis de Fermi , respectivos. Recombinando-se uns com os outros, deixando no lado p uma carga negativa, e o lado n uma carga positiva. Esta região é chamada camada de carga espacial (SCL). Devida á transferência e recombinação de cargas, é autocriada uma tensão V0. Quando não há tensão aplicada , o nível de Fermi é contínuo, através do diodo EFP = EFN. A tensão auto criada V0 evita que os electrões na banda de condução no lado-n, de se difundirem para a banda de condução do lado-p, sendo semelhante para as lacunas na banda de valência , de modo que os portadores maioritários não podem fluir para a camada de carga espacial . A aplicação de uma tensão V, pode separar EFP de EFN por eV, e o nível de Fermi não é contínuo através do diodo. O nível de Fermi separado em cada um dos lados é chamado, nível de quasi-Fermi. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 26

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Estrutura de bandas dos semicondutores Dopagem: é a Adição de impurezas químicas elementares num elemento químico semicondutor puro, com a finalidade de dotá-los de propriedades de semicondução controlada específica. E BC Semicondutor do tipo P -n Apresenta excesso de cargas “positivas” (interpreta-se um buraco como uma carga positiva). EC EC Ei NA EA EV Ei EF Ei EF EV p BV 0 BC Excesso de cargas negativas. 1.0 n e F(E) N(F) Semicondutor tipo N 0.5 p E n EC ED - --- ND Ei EF Ei EV EC EF np = n2i Ei Ev p BV  A dopagem pode afectar a estrutura de bandas, introduzir estados permitidos na banda de condução, afectar a distribuição de Fermi e a condutividade do material. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 27

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Estrutura de bandas dos semicondutores X=0 Camada Deplexão Tipo-p Quando juntamos um material P com um N, geramos uma difusão entre essas regiões. O potencial da junção está relacionado com a quantidade de cargas acumuladas através de: Tipo-n n,p Nd Na X 2 p(x) eNd e ( p n Nd Na ) s X eNa p= lacunas, E(x) X Nd+=Átomos doadores ionizados (x) -wp 15-02-2014 n= Electrões livres, -e= carga do electrão 0 wn X Na-=Átomos aceitadores ionizados Por : Luís Timóteo 28

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Estrutura de bandas dos semicondutores Junção p-n c/ polarização directa Junção p-n s/ polarização Ec BC p+ n+ Ec E g Electrões Criados E Fp (BV) E v Electrões Lacunas Criadas p+ eVo E g E Fn (BC) BV Ec n+ Ev E Ec Região de Inversão Fn eV região activa E Fp E v Junção V Devido à tensão aplicada, o processo de recombinação tem lugar, e as correntes estabilizam no diodo. Quando a tensão aplicada é maior que a tensão auto criada V0, a camada de carga espacial deixa de ser deplexada. Agora, na junção, mais electrões são injectados na banda de condução a níveis de energias perto de Ec, do que electrões na banda de valência com energias perto de Ev. Isto é a inversão de população, e a inversão de região, como indicado na Figura e é chamada de região activa. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 29

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Estrutura de bandas dos semicondutores Na emissão estimulada, um fotão está fortemente associado com o electrão, o fotão pode causar o electrão decair para um nível de energia mais baixo, libertando um fotão da mesma energia. O fotão emitido tem a mesma direcção e fase que o fotão incidente. Quando a emissão estimulada é dominante, a luz é amplificada, e ocorre o efeito laser. Pela Lei estatística de Fermi-Dirac, sob esta condição, a probabilidade de encontrar um electrão na banda de condução tem de ser maior do que a probabilidade de encontrar um electrão na banda de valência, por isso deve haver uma inversão de população. Como mencionado anteriormente, num diodo laser, a inversão de população é alcançada quando EFN – EFP > Eg, onde Eg é a energia da banda proibida (Gap) e EFC e EFV são os níveis de Fermi da banda de condução e da banda de valência, respectivamente. Estes níveis de Fermi só podem ser separados por bombeamento de energia sob a forma de uma corrente eléctrica no laser semicondutor. Electrões e lacunas são injectados na região activa a partir das camadas semicondutoras dopadas n e p. A corrente de injecção necessária para alcançar o efeito laser, é conhecida densidade de Corrente Injectada Limiar (JTH). 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 30

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Densidade Corrente limiar injectada (JTH) Quando um número suficiente de electrões e lacunas são acumulados para formar uma população invertida, a região activa apresenta ganho óptico e pode amplificar as ondas electromagnéticas que passam através dele, uma vez que a emissão estimulada supera a absorção interbanda. A onda faz uma ida e volta completa na cavidade, sem atenuação, o que significa que o ganho óptico deve igualar as perdas, tanto no interior da cavidade como através das faces das extremidades parcialmente reflectoras… Assim, o coeficiente de ganho no limiar gTH, é dado pela relação: Onde, a e c denotam as perdas nas camadas activas e de revestimento, respectivamente, devido à absorção de portadores livres. s conta para as perdas de dispersão devido a imperfeições heterointerfaciais entre a camada activa e a camada de revestimento (cladding layer). ΓgTH Γ a (1 Γ) c s 1 1 ln L R i Os três primeiros termos de perdas, no lado direito da fórmula, combinados, são chamados de perdas internas i, e adicionam 10 a 20 cm-1. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 31

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Densidade Corrente limiar injectada (JTH) Output Optical Power P0 (mW) 20 16 12 InGaAsP injected laser ( = 1.3 m) 8 4 JTH 20 Strongly Index-Guided Buried-Heterostructure 40 60 Drive Current I (mA) 80 A densidade da corrente limiar injectada (threshold current density) JTH, é um parâmetro fundamental para caracterizar o desempenho do diodo laser: menores valores de JTH Indicam um desempenho superior. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 32

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Densidade Corrente limiar injectada (JTH) A Corrente Injectada Limiar (iTH= JTH A) e a corrente de transparência (it= Jt A), onde A é a área transversal da região activa. A Densidade de Corrente Injectada Limiar (JTH) é um parâmetro 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 eficiência quântica interna int; Minimizando o coeficiente de perdas do ressonador r; minimizando a densidade de portadores injectados na transparência nt. Minimizando a espessura da região Activa (usar heteroestruturas duplas). 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 33

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Output Optical Power P0 (mW) Densidade Corrente limiar injectada (JTH) Dependência da Temperatura T= 20 30 40 50 600C A corrente limite : iTH iTH 2 exp (T / T0 ) (empírica) iTH1 exp (T2 T1 ) / T0 ) Declive da Eficiência = DP / dI A eficiência do laser diminui com a temperatura: A corrente limiar (Threshold current) aumenta com a temperatura da junção p-n Drive Current i (mA) iTH1 iTH2 Com o aumento da temperatura, o ganho do diodo diminui, e por isso mais corrente é necessária para a oscilação começar (a corrente limiar , aumenta em cerca de 1,5% /oC). x ~2 – ~3  portadores gerados termicamente (buracos na camada n, e electrões na camada p) recombinam-se com electrões livres e buracos nas regiões dopadas, fora da camada activa, reduzindo o número de cargas que alcançam a camada activa, reduzindo o ganho. A redução do ganho, leva a um aumento da corrente limiar. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 34

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Densidade Corrente limiar injectada (JTH) Emissão Estimulada Optical Power LED J TH Optical Power Optical power Emissão Espontânea Laser N e , h ed l r Optical Power JTH Laser l ( is the total recombination lifetime, radiative recombination lifetime, int is the = / r) r Abaixo do limiar (JTH), a densidade de fotões é zero, qualquer aumento na taxa de bombeamento é manifestada como um aumento do fluxo de fotões de emissão espontânea, mas não existe oscilação sustentada. Acima do limiar, o estado estacionário da densidade de fotões laser interna, é directamente proporcional à inversão de população inicial (densidade inicial de injecção), e aumenta com a taxa de bombeamento, mas o ganho g(n) permanece no valor limiar ( g(nTH)). 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 35

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Equações das relações do diodo laser A relação entre a potência óptica de saída e a corrente injectada no diodo, vem das equações das taxas que regem a interacção entre fotões e electrões, na região activa. Para uma junção p-n, com uma região de confinamento de portadores, com uma profundidade d, as equações das taxas são: dΦ dt CnΦ Rsp Φ = Emissão Estimulada+Emissão Espontânea + Perdas de Fotões ph dn que regula o número de fotões Φ e: dt J qd n CnΦ sp = Injecção+Recombinação Espontânea+Emissão Estimulada que regula o número de electrões n Note-se que as duas equações estão relacionadas através do termo da emissão estimulada. Assim, as equações sugerem equações diferenciais de 2 ª ordem no tempo a oscilação de n e . 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 36

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Densidade de estados Quando calculamos várias propriedades ópticas, como a taxa de absorção ou de emissão e como os electrões e as lacunas ou buracos se distribuem dentro de um sólido, precisamos de saber a densidade de estados. A densidade de estados, é descrita como o número de estados disponíveis por unidade de volume por unidade de energia. Assim, na banda de condução (BC) e na banda de valência (BV), a densidade de estados de energia é: c ,v ( E )dE 1 2π 2 2m* 2 3/2 E 1/2 dE m* mc ou mv E Ec − Ec ou Ev − E Segundo a lei de probabilidades estatísticas de Fermi-Dirac, os electrões na banda, obedecem ás seguintes equações: 1 1 fc(E) exp(E Fn )/kT) 1 fv(E) exp(E Fp )/kT) 1 Então, na banda de condução e na banda de valência, a distribuição de electrões e buracos 3/2 é: 1 2m* (E Ec)1/2 dE e nc(E)dE pv(E)dE 15-02-2014 2 2 1 2 2 2 2m* h 2  exp(E Fn )/kT) 1 3/2 (Ev E)1/2 dE exp(Fp E)/kT) 1 E > Ec E Ev Por : Luís Timóteo 37

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Densidade de estados p - side A concentração de portadores no SCL sob polarização directa. n - side SCL ppo nno C Electrons nM  SCL- Space Charge Layer – camada de carga espacial (zona de deplexão) PM Holes npo A wp B wn D pno x M V Concentração portadores, em coordenadas 2D na camada de carga espacial (SCL). 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 38

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Densidade de estados: distribuição de Electrões e lacunas E E BC (a) BC EFC EFC (b) EFV EFV BV A temperaturas acima de 0oK, algumas cargas são excitadas para estados de energia mais altos. BV (a) 15-02-2014 A 0oK, as cargas preenchem primeiro os estados mais baixos de energia. (b) Por : Luís Timóteo 39

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser “Direct band gap” ou “indirect band gap” O processo de recombinação 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 electrões no mínimo da banda de condução, têm o mesmo momento (binário), que os electrões no máximo da banda de valência. Por um gap indirecto, os electrões não têm o mesmo momento, como indicado na Figura. A recombinação de um electrão BC BC E E Electrões Electrões h Eg Fonão Para uma a recombinação de bandgap indirecto, a energia é libertada sob a forma de fotão, mas tem um ou mais Lacunas fonões para conservar o momento k (impulso). Esta interacção multipartícula k=0 é improvável e a eficiência da BV recombinação nos materiais gap (b) Estrutura “Indirect-bandgapindirecto, é inferior á dos materiais gap “ directo. h Lacunas k=0 k BV (a) Estrutura “direct-bandgap “ 15-02-2014 perto da parte inferior da banda de condução com uma lacuna próximo da parte superior da banda de valência, requer a troca de energia e de “momento”. Eg Por : Luís Timóteo 40

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser “Direct band gap” ou “indirect band gap” A maioria dos semicondutores são materiais de bandgap indirecto, em comparação com eles, materiais de bandgap directo são os preferidos para diodos de laser. A estrutura de bandgap directo maximiza a tendência dos electrões e lacunas se recombinarem por emissão estimulada, aumentando assim a eficiência laser. Por exemplo, o cristal de bandgap directo de Alumínio de Arsenieto de Gálio (AlGaAs), é por vezes usado para diodos de laser com comprimentos de onda entre 750 nm e 880 nm. AlxGa1-XAS, através da mudança do x, a proporção de Alumínio para o Gálio pode ser ajustada para variar a bandgap, e assim, controlar o comprimento de onda. Mecanismo de realimentação Óptica Num laser de alta eficiência, deve ser formada um ressonador, o qual tem a finalidade, não só para amplificar as ondas electromagnéticas, mas também para realimentá-las. Um ressonador de laser, geralmente consiste de dois espelhos paralelos perpendiculares ao eixo óptico. O espaço entre os espelhos é parcialmente ocupado pelo material de amplificação. Esta estrutura, chamada de ressonador de Fabry-Perot, é obtida num diodo de laser, por clivagem das extremidades do cristal. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 41

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Mecanismo de realimentação Óptica Em diodos laser de heteroestruturas, o guia de ondas irá confinar-se na região activa. A componente dos fotões emitidos de forma espontânea, que percorre paralelamente ao eixo óptico, será repetidamente refletida pelos espelhos das faces. À medida que a onda electromagnética viaja através do material semicondutor, é amplificada por emissão estimulada. Em cada reflexão, a onda é parcialmente transmitida através de uma das faces reflectoras. A Oscilação Laser começa… ….Quando a quantidade de amplificação for igual à quantidade total de perdas, através Electrodes - Current injection dos lados do dispositivo de ressonância, Confinement layers - Photon guiding Separated confinement layers - Optical losses are reduced através das faces do espelhadas e da Cleaved facets - Mirrors absorção através do cristal. High reflection coating Active region - Photon generating (HR 95%) Lateral passivation - Electrical isolation Length L Anti-reflection coating (AR 3%) High reflection coating (HR 95%) Width W Height H 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 42

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Factor de confinamento óptico ( ) O factor de confinamento , definido como a razão 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. É um parâmetro que representa a extensão da camada activa. para um modo fundamental, é dado aproximadamente por: 2 Γ D 2 D2 D 2 w 2 r ,w n 2  Para um diodo de GaAs/Al0.3Ga0.7As, guia de ondas com d = 0.1 μm, vem 0.27. r ,c n Onde ,é o comprimento de onda da energia de laser, D é a espessura normalizada da região activa, n (r, w) e n (r, c) são os índices de refracção das camadas activas e de revestimento, respectivamente, e w é a espessura da camada activa. Ou de outra forma: A região activa (isto é, a região de ganho) tem Va volume, o que é mais pequeno do que o volume modal V , que contem a energia óptica. O modelo mais simples assume que a potência óptica é uniformemente distribuída em V , e é zero fora do volume. O factor de confinamento óptico ( ) especifica a fracção do modo óptico que se sobrepõe a região de ganho. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo Γ Va / V 43

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Tempo de Resposta Os diodos laser respondem muito mais rápido do que os LEDs, principalmente porque o tempo de subida (rise time) de um diodo emissor de luz, é determinado pelo tempo de vida da emissão espontânea sp, natural do material. O tempo de subida (rise time) de um diodo de laser depende do tempo de vida de emissão estimulada. Num semicondutor, o tempo de vida da emissão espontânea sp, é o tempo médio que os portadores de carga livres, existem na camada activa, antes da recombinação espontânea (a partir da injeção até á recombinação) O tempo de vida de emissão estimulada, é o tempo médio que os portadores de carga livres existem na camada activa, antes de serem induzidos a se recombinar por emissão estimulada. Para um “meio” de um laser ter ganho, o tempo de vida da emissão estimulada deve ser mais curto, do que o tempo de vida da emissão espontânea. Caso contrário, a recombinação espontânea ocorreria antes emissão estimulada, começando por diminuir a inversão de população e inibir o ganho e a oscilação. Um processo mais rápido de emissão estimulada, que domina a recombinação num díodo de laser, assegura que um diodo laser responde mais rapidamente a alterações na corrente injectada do que um diodo emissor de luz (LED). 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 44

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Modulação directa (Direct modulation) A modulação de um diodo de laser pode ser feita variando a corrente de excitação. A intensidade da potência irradiada é modulada - A modulação de intensidade. Este tipo de modulação é conhecido por modulação directa ou interna Inconvenientes de modulação directa:  Largura de banda limitada e, Variação da frequência de operação do laser (devido à modulação de fase do meio de ganho do semicondutor, altera a densidade portadores livres…) Nota: A modulação directa de diodos Laser, é usada apenas para modulação a relativamente baixa velocidade (~ GHz). Para além de GHz, tipicamente emprega-se a modulação externa, isto é, operando o diodo laser num estado estacionário (modo de operação de onda contínua) e modular o feixe laser com um modulador externo (que tenha uma largura de banda na ordem das dezenas de GHz). 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 45

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Modos de Oscilação Em óptica , um modo é um caminho que a luz pode tomar através de um sistema . Assim, multimodo significa vários caminhos. Um laser multimodo é aquele que permite vários caminhos dentro da sua cavidade e, portanto, produz luz de vários comprimentos de onda. Esses lasers não produzem vários comprimentos de onda simultaneamente com potência constante . Em vez disso, o laser irá mudar a potência de um modo para outro, muito rapidamente (às vezes gastando apenas alguns picossegundos em qualquer modo particular) , aparentemente de forma aleatória, quando envia um único impulso. É importante notar que estas são flutuações do nível de energia, não comutação completa entre os modos. Assim, a intensidade de um modo particular, pode variar por tanto como 30dB, mas não desaparecem totalmente. Assim, a palavra " modo" relaciona-se com o caminho no qual a luz viaja num instante específico no tempo. A Luz produzida em "laser multimodo " não é " luz multimodo " . A luz produzida por "laser multimodo " se desloca num modo ao longo de uma fibra de modo único, e perfeitamente bem . 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 46

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Modos de Oscilação  Os Diodos laser têm três modos distintos de radiação ou seja:  Longitudinal, Lateral  e modos transversais.  Os Pequeno diodos emissores de luz de laser (edge-emitting laser diodes) geram algumas miliwatts (ou até 0,5 W) da potência de saída, com um feixe de elevada qualidade. Eles são usados​, por exemplo, em apontadores laser, em leitores de CD, e em comunicações de fibra óptica.  Os diodos lasers de cavidade externa, contêm um diodo laser como meio de ganho de uma cavidade laser mais longa. São muitas vezes de comprimento de onda ajustável e exibem uma pequena largura de feixe de emissão. Ambos, os monolíticos e os de cavidade externa, de baixa potência, podem operar em “mode-locked “ para gerarem impulsos ultra curtos. Edge-emitting laser diodes External cavity diode lasers Broad area laser diodes 15-02-2014 High-power diode bars Diodos de laser podem emitir um feixe para o espaço livre, mas muitos também estão disponíveis em forma de acopladores- fibra. Estes últimos, tornam-se particularmente convenientes, por exemplo, como fontes de bombagem para lasers de fibra e amplificadores de fibra. Por : Luís Timóteo 47

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Modos de Oscilação 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 Spectrum Modos longitudinais: Os modos longitudinais, ou ressonâncias ópticas do ressonador Fabry-Perot formado pelos espelhos das faces finais clivadas, são determinados pelo seu comprimento L do ressonador e pelo índice de refracção n do semicondutor. Para uma onda electromagnética de comprimento de onda , o meio-comprimento de onda no meio, é /2n, e para uma onda estacionária, q /2n = L, onde q é um inteiro múltiplo de . Variando o inteiro q por um, provoca uma variação de comprimento de onda, de 0.35nm, e o ressonador laser pode suportar simultaneamente vários ondas estacionárias, ou modos longitudinais, de comprimento de onda ligeiramente diferentes. Num diodo laser, a oscilação surge no comprimento de onda correspondente à energia da bandgap do semicondutor, a intensidade diminui à medida que o comprimento de onda se afasta do comprimento de onda central, como indicado na Figura anterior. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 48

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Modos Longitudinais de Oscilação (Cont.) Uma vez que a energia da bandgap varia com a temperatura, o comprimento de onda com a máxima intensidade, também 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 será: FSR f2 f1 c 1 1 cΔ 2 2 1 c 2nL Δ c 2 1 A separação de pico é definida como: c FSR Na figura, como um exemplo, o comprimento de onda central = 817,5 nm e a separação de pico = 0,45 nm, a faixa espectral livre FSR será: FSR = = 200GHz AlGaAs LD Spectrum 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 49

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Modos Longitudinais de Oscilação (Cont.) A distância entre os picos adjacentes dos comprimentos de onda ressonantes numa cavidade de Fabry-Perot é a faixa espectral livre (FSR- Free Spectral Range). FSR Sendo L a distância entre os espelhos reflectores, num dispositivo de índice de refracção n, então no pico do comprimento de onda do a FSR é dada por: 2 FSR 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 2nL 50

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Modos Transversais de Oscilação O modo transversal representa o estado da onda electromagnética estacionária na direcção perpendicular ao eixo óptico do ressonador de laser. O modo transversal tem duas componentes, uma paralela e outra perpendicular á camada activa do laser. Como afirmado anteriormente, existem graduações diferentes no índice de refracção 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 à difracção nas extremidades da cavidade. Figura mostra a construção de um de diodo laser de índice guiado típico, com camadas de revestimento, eléctrodos, e GaAs na região activa. Os espelhos da cavidade do laser são as faces das extremidades do cristal semicondutor, que foram Oxide clivadas. As dimensões do cristal determinam o padrão do feixe luminoso emitido (o padrão de modo transversal) e também as frequências de emissão laser possíveis (o padrão de modo longitudinal). N-Ga1-xAlxAs Contact L Contact Index guided laser diode 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 51

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Modos Transversais de Oscilação (Cont.) O padrão de saída é dominado pela difracção, porque a largura W 10 m e altura H 2 m típicas dos diodos laser, são comparáveis ​ao comprimento de onda de emissão. O ângulo de divergência da emissão ao longo destas duas direcções é inversamente proporcional às dimensões, como mostrado na figura seguinte. W ϑh ϑw H L A largura angular ϑ do padrão de emissão a partir de uma fenda ou abertura rectangular de largura d é: 2arc Sin( / d) Por exemplo, um comprimento de onda de 850 nm e uma faixa de largura W = 10 m tem um ângulo de divergência ϑw 10 graus, e ϑH 45 graus, como mostrado na figura. As dimensões W e H da região activa do diodo laser, pode ser determinada através da medição dos ângulos de emissão de cone de saída. Quanto menor for a abertura, maior será a difracção. Com umas suficientemente pequenas W e H, teremos na saída ,apenas o modo transversal menor, TEM00. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 52

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Modos Transversais de Oscilação (Cont.) TEM00 TEM11 TEM10 TEM21 TEM20 TEM22 TEM30 TEM13 TEM03 A operação de modo TEM00 tem inúmeras vantagens que o tornam um objectivo do desejável. Por exemplo, a divergência do feixe é baixa, o que proporciona alta densidade de energia ao longo de grandes distâncias de propagação. O tamanho do ponto focado é menor do que o produzido por modos de ordem superior e não contém nenhum nó, tornando este tipo de feixe útil para perfuração a laser, tratamento médico, e outras aplicações que exigem alto brilho e tamanhos de pontos pequenos. Além disso, porque a intensidade do feixe de saída é caracterizado por um perfil uniforme de Gauss, é útil para muitas aplicações de iluminação e de imagem… 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 53

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Modos Transversais de Oscilação (Cont.) Single-mode laser: o laser opera no modo fundamental transversal e lateral, mas com vários modos longitudinais. Single-frequency laser: o laser opera em apenas um modo longitudinal. Longitudinal modes: Determinam o comprimento de onda da luz de saída . Lateral modes: Levam a subpicos sobre os lados dos modos fundamentais, e resultando em "dobras" na curva da corrente de saída. Suprimidos pela estrutura " “stripe-geometry” . Transverse modes: geram "hot spots" . Suprimidos pelo design "camada activa fina" (thin active layer). É necessário suprimir os modo transversais e laterais, para melhorar o desempenho dos lasers. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 54

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Modos Transversais de Oscilação (Cont.) Na prática, não se pode fazer o laser tão curto, assim podemos restringi-lo a um único comprimento de onda. Precisamos de um pouco de espaço para emissão estimulada para amplificar o sinal, mas estamos limitados pela densidade da potência que se pode injectar numa pequena área. E se os lados da cavidade reflectirem a luz? O que se obtém são modos laterais, que também podem ser ressonantes e terem também efeito laser! Existem várias formas de minimizar ou eliminar esses modos laterais que veremos mais tarde. Modos transversais (caminhos verticais) não podem existir, porque o dispositivo é tão fino na direcção vertical, que vários modos não podem existir. Pode-se obter um modo lateral, que vá completamente de lado a lado, com ângulos correctos ao longo eixo do dispositivo. Também pode obter um modo vertical do mesmo tipo. No entanto, os modos laterais são suprimidos, conforme havemos de ver, e não existe ganho suficiente na direcção vertical, para o efeito laser ser sustentável. O meio de laser, apenas pode amplificar (emissão estimulada) ao longo de um intervalo relativamente estreito, devido às características do material a partir do qual é feito. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 55

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Diodo de Homojunção – ou junção simples Contacto Metal (+) Área espelhada p+GaAs W L Contacto Metal (-) Região Activa  Uma única junção p-n é chamada de homojunção.  Os materiais tipo-p e tipo-n, baseiam-se no mesmo material, mas com o doping apropriado.  A emissão estimulada ocorre na região de deplexão de alguns m de largura.  A Luz diverge muito rapidamente para fora da região.  Requer alto nível de corrente limiar para a ação do laser. n+GaAs Os Electrões e lacunas são livres para se difundirem, e portanto, diluem o ganho (não confinamento).  O Modelo óptico têm sobreposições pobres com baixo ganho (sem confinamento e orientação ópticos). O diodo Laser de homojunção, tem: Fracas qualidades ópticas e baixo confinamento dos portadores de carga. – Sem aplicação Prática 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 56

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Mecanismo de realimentação Óptica Nos diodos laser de homojunção, não há confinamento óptico na direcção perpendicular ao eixo óptico, de modo as ondas electromagnéticas em qualquer direcção não paralela ao eixo óptico do ressonador vão passar através dos lados do dispositivo de ressonância. Contacto Metal (+) Área espelhada W p+GaAs L Contacto Metal (-) n+GaAs O diodo Laser de homojunção, tem: Fracas qualidades ópticas e baixo confinamento dos portadores de carga. – Sem aplicação Prática Região Activa 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 57

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Heterojunções Em 1960 foram desenvolvidos os primeiros lasers de heterojunção . Uma heterojunção é uma junção entre os dois semicondutores diferentes, com diferentes energias de bandgap. Portadores de carga (electrões ou lacunas), são atraídos por cima da barreira a partir do material de maior energia bandgap, ao de menor energia bandgap. Heterojunções Quando uma camada de material com uma energia de bandgap particular, está ensanduichada entre uma camada de material com uma energia bandgap mais elevada, e uma camada com energia bandgap menor, forma-se uma heterojunção dupla. A diferença de energia da banda proibida dos dois materiais ajuda a confinar os portadores (electrões ou lacunas) dentro da região da junção diminuindo o gap, aumentando a eficiência e a potência do laser e diminuindo a corrente limiar. Os lasers de heterojunção dupla, são até 20 vezes mais eficientes que os lasers de homojunção. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 58

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Heterojunções Nas bandas do AlxAs1-x dopado por doadores, os electrões livres dos doadores ionizados, tendem a cair para a banda de condução do GaAs, devido á menor energia potencial deste lado. Os electrões são confinados na banda de condução na região GaAs. p- AlAs xGa1‐x As lacunas são confinadas na banda de valência da região do GaAs. Ec Ec O confinamento dos portadores (electrões e lacunas) dentro E v da GaAs, diminui Eg . GaAs Ev n -AlAs xGa1‐x Os fotões podem ser confinados na região activa, também aumentando o índice de refracção na região. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 59

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Diodo de Heterojunção Dupla Fazendo a zona de exclusão de um maior índice, do que a área circundante, temos um laser de heterojunção dupla. Energy Gap Electrons Barrier Active Region 1,42eV Holes Barrier m 1,92eV Active Region Heterojunctions 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 60

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Diodo de Heterojunção Dupla Nestes dispositivos, uma camada de material de Arsenieto de Gálio (GaAs) ensanduichado entre baixo bandgap está ensanduichada entre duas camadas de material de bandgap elevados. Um par duas camadas Alumínio arsenieto de gálio (AlGaAs) de maior Gap. de materiais mais utilizado é o GaAs com AlGaAs. Cada uma das junções entre os diferentes materiais é chamada de uma heteroestrutura. Daí o nome de " laser de heterojunção dupla "DH” o mais usual. Contacto Metal (+) N p GaAs P 1 m GaAlAs GaAlAs Contacto Metal (-) A vantagem de um diodo laser DH, é que a região onde existem simultaneamente electrões e lacunas livres, ou “região activa" , está confinada à camada fina intermédia. Isto significa que muitos mais pares electrão-lacuna podem contribuir para a amplificação, sendo poucos deixados fora, na periferia de fraca amplificação. Além disso, a luz é reflectida a partir da heterojunção, portanto, a luz está confinada à região Arsenieto de Gálio (GaAs) é a região activa onde tem lugar a amplificação. onde acontece o efeito Laser. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 61

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Diodo de Heterojunção Dupla Vf n p p AlGaAs GaAs  O diodo de heteroestrutura dupla, possui duas junções que estão entre dois semicondutores de bandgaps diferentes (GaAs e AlGaAs). AlGaAs Electrões na BC (~0.1 m) Ec E Ec c 2eV 1.4eV 2eV Ev Ev Diagrama simplificado das bandas de energia sob uma forte polarização directa. As recombinação laser, têm lugar na camada pGaAs, a camada activa. Buracos na BV Índice refracção Região Activa Densidade de Fotões n ~ 5% Os materiais de bandgap mais altos, têm um menor índice de refração. A camadas AlGaAs confinamento óptico lateral. proporciona © 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall) 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 62

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Heteroestruturas: índice de refração e modo de perfil Homostructure p+ Single Heterostructure (SHS) n+ P p Double Heterostructure (DHS) n+ P p N n optical field O Confinamento eléctrico é mais elevado para um DHS O Confinamento óptico é mais elevado para um DHS 15-02-2014 Por : Luís Timóteo Corrente Ith mais baixa 63

Semicondutores: - Diodos Laser Diodos Laser  Heterojunções Nas heteroestruturas duplas, a emissão estimulada ocorre apenas dentro de uma fina camada activa de GaAs, que está entre duas camadas AlGaAs dopadas p-n que têm um bandgap maior. Os Diodos laser usam heterojunções para conseguir confinamento simultâneo de portadores e de fotões, na região activa. A alta eficiência do laser exige que os portadores de carga injectados e a luz, sejam confinados, tanto quanto possível para o mesmo volume. Heteroestruturas d Zona Activa GaAs n- GaAlAs E FC EC eV o E c h Eg2 Eg1 E FV EV V 15-02-2014 p- GaAlAs BC BV Diodo laser de heterojunção dupla Por : Luís Timóteo 64

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser  Heterojunções d Zona Activa GaAs n- GaAlAs EC EFC eV o Ec p- GaAlAs BC h Eg2 Eg1 EFV EV BV V O diodo laser de AlGaAs consiste em uma heterojunção dupla formada por uma região activa de material não dopado (ou p levemente dopado) entalada entre duas camadas de material p-n de AlxGa1-xAs com revestimento e que têm maior bandgap.  As camadas de revestimento, fornecem uma barreira de energia para confinarem os portadores á região activa. Os comprimentos de onda de operação actuais, podem variar entre 750-880 nm, devido aos efeitos dos dopantes, ao tamanho da região activa, e as composições das camadas activa e dos revestimentos. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 65

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser  Heterojunções Quando um certo parâmetro é fixo, o comprimento de onda pode variar em vários nanómetros devido a outras variáveis. Por exemplo: Quando a camada activa tem um gap de energia Eg = 1.424 eV, o comprimento de onda nominal de emissão é = hc / Eg = 871 nm. Quando a tensão de polarização directa é aplicada, os electrões e lacunas são injectados na camada activa. Uma vez que os bandgap das camadas de revestimento são maiores do que o bandgap da camada activa, os electrões e os buracos são injectados são impedidos de difusão através da junção, pela barreira de potencial formada entre a camada activa e as camadas de revestimento (Figura anterior). Os electrões e as lacunas ficam confinados à camada activa, criando um estado de inversão da população, que permite a amplificação da luz por emissão estimulada. As camadas de revestimento (cladding layers) servem duas funções. Primeiro, injectam portadores de carga. Em segundo lugar, fazem o confinamento da luz. Uma vez que a região activa tem um bandgap menor do que as camadas de revestimento, o seu índice de refracção será ligeiramente maior do que a das camadas envolventes. O índice de refracção de GaAs a este comprimento de onda é n = 3,5, enquanto que o índice de refracção das camadas de revestimento AlxGa1-xAs é ligeiramente menor. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 66

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser  Heterojunções n I x A figura representa a E distribuição de campo electromagnético, devido à heteroestrutura. d/2 U(x) nII II d/2 III x (a) Refractive index nI y nIII (b) Field distribution Refractive index of the waveguide and the field distribution Para o confinamento na direcção horizontal (lateral), em estruturas de laser reais, o índice ou ganho orientado é sempre utilizado. As características de uma placa guia de ondas de três camadas, estão convenientemente descritas em termos da espessura normalizada de guia de ondas (D) , definidas como: D 2 d 2 a 2 c where a and c are the refractive indices of the active and cladding layers respectively and d is the active layer thickness. 15-02-2014 Por : Luís Timóteo 67

Semicondutores: - Diodos Laser Diodo Laser Diodo de Heterojunção Dupla As camadas n e p de AlGaAs, fornecem suporte e confinamento óptico formando heterojunções com a camada p-GaAs. Devido à camada fina de p-GaAs, só uma quantidade mínima de corrente é necessária para aumentar a concentração de transportadores injectados a uma taxa rápida. Isto é como a corrente limiar é reduzida com a finalidade de inversão população e ganho óptico. Um semicondutor com um bandgap maior (AlGaAs), também terá um índice de refracção menor do que o GaAs. Esta diferença de índice de refracção é o que estabelece um guia de ondas dieléctrico óptico que, finalmente, confina os fotões á região activa. A Vantagem da heterojunção AlGaAs / GaAs, é que oferece um pequeno desencontro entre as estruturas cristalinas. Isto introduz uma quantidade insignificante de defeitos interfaciais induzidos (deslocamentos

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