1. DISPOZITIVE OPTOELECTRONICE

1.1. SURSE DE LUMINĂ

În optoelectronică sunt sunt folosite două mari familii de surse luminoase: diodele

electroluminiscente şi diodele laser.

A. Diode electroluminiscente

LED = Light Emitting Diode – generator semiconductor de fotoni în spectru vizibil

IRED = Infrared Emitting Diode – generator semiconductor de fotoni în spectru infraroşu

Procesul de generare a luminii în LED sau laser este determinat de procesul de

recombinare a electronilor şi golurilor într-o joncţiune pn cu degajare de fotoni. Acest efect este

numit electroluminiscenţă.

Pentru a favoriza recombinarea radiantă în joncţiuni şi heterojoncţiuni semiconductoare,

deci şi procesele de emisie a radiaţiei electromagnetice, este necesar să se creeze acele stări de

neechilibru în care concentraţia purtătorilor de sarcină minoritari să fie mult mai mare decât

concentraţia lor la echilibru. În cazul dispozitivelor electroluminiscente, care transformă energia

electrică în energie a radiaţiei luminoase, mecanismul prin care se crează stările de neechilibru

este injecţia purtătorilor de sarcină minoritari. Acesta este cazul concret al joncţiunilor şi

heterojoncţiunilor p-n polarizate direct.

Purtătorii injectaţi în joncţiunea p-n vor participa la două mecanisme de recombinare

concurente:

– recombinare radiantă cu emisie de fotoni (doar câteva procente). În acest caz dominante sunt

mecanismele de recombinare radiantă bandă-bandă (fotonii emişi au o energie de ordinul

lărgimii benzii interzise) şi mecanismele de recombinare radiantă pe centre de recombinare

(fotonii emişi au o energie puţin mai mică decât lărgimea benzii interzise)

– recombinare neradiantă cu emisie de fononi (energia se disipă sub formă termică)

Exemple de semiconductori care au o structură de benzi directă (punctele de extremum al

benzilor energetice, adică minimul benzii de conducţie şi maximul benzii de valenţă, se găsesc la

aceeaşi valoare a vectorului de undă) sunt: GaAs, InP, GaSb, AlGaAs, GaAsP. La aceştia

procesul de recombinare radiantă bandă-bandă este predominant.

Exemple de semiconductori care au o structură de benzi indirectă (punctele de extremum

al benzilor energetice, adică minimul benzii de conducţie şi maximul benzii de valenţă, se găsesc

1

în puncte diferite ale spaţiului vectorului de undă k) sunt: GaP, GaAsxP1-x (pentru x>0.65). La

aceştia procesul de recombinare radiantă pe centre de recombinare este predominant.

Preponderenţa unuia sau altuia din mecanismele de recombinare poate fi condiţionată de

următorii factori: temperatura, concentraţia purtătorilor injectaţi, concentraţia impurităţilor din

semiconductor, prezenţa diverselor imperfecţiuni etc.

Spectrul de emisie al diodelor electroluminiscente poate fi:

– în domeniul spectral infraroşu (IR). Exemple: diode electroluminiscente pe bază de GaAs,

AlxGa1-xAs, InxGa1-xAsP1-y

– în domeniul vizibil: roşu (diode electroluminiscente pe bază de GaP, GaAs 1-xPx, AlxGa1-xAs),

portocaliu şi galben (diode electroluminiscente pe bază de GaAs1-xPx), verde (diode

electroluminiscente pe bază de GaP, Ga1-xAlxP), albastru (diode electroluminiscente pe bază de

SiC).

Într-un LED, lumina are, teoretic, o caracteristică de radiaţie sferică, omnidirecţională. În

practică, ea este limitată de construcţia mecanică a diodei (reflexii pe baza metalică a diodei) şi

de absorbţia în metal. Aria emisivă este mare comparativ cu a unui laser. În consecinţă,

densitatea de putere emisă este mică astfel încît se reduce drastic puterea care poate fi cuplată

într-o fibră.

Un alt dezavantaj al unui LED este banda sa redusă (comparativ cu a laserului). Tipic,

banda maximă este de 200 MHz.

Spre deosebire de o diodă laser, un LED are un spectru continuu.

Avantajele unui LED sunt: dependenţa liniară a puterii optice de curentul aplicat şi

puterea consumată redusă. Deoarece un LED este puţin sensibil la suprasarcini, circuitul de

comandă poate fi construit simplu.

B. Diode laser

LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Procesul de generare a luminii în dioda laser este asemănător cu cel dintr-un LED, iar

materialele utilizate sunt aceleaşi. Specific diodei laser este volumul foarte mic în care este

generată lumina şi densitatea mare a purtătorilor injectaţi. Aceste particularităţi determină un

cîştig optic ridicat, o coerenţă a luminii generate şi un spectru îngust.

Radiaţia emisă de un generator cuantic este o radiaţie electromagnetică, care nu diferă

prin natura sa de cea a surselor clasice. Totuşi există deosebiri în proprietăţile de

monocromaticitate, coerenţă, direcţionalitate, intensitate:

2

*) monocromaticitatea radiaţiei laser. Lărgimea de bandă, respectiv puritatea spectrală, a

generatoarelor cuantice este cuprinsă între ν = (104–109) Hz, respectiv λ = (10-6–10-1) μm

comparativ cu o radiaţie termică cu un filtru obişnuit la care λ = 10 μm.

*) coerenţa radiaţiei laser. Coerenţa unui laser se referă la faptul că undele de lumină generate

sunt toate cu aceeaşi fază. Pentru sursele de lumină obişnuite, timpul de coerenţă este de ordinul

milisecundelor, adică cu lungimea de coerenţă de ordinul centimetrilor. Pentru laseri, durata de

coerenţă este de ordinul sutelor de picosecunde, ceea ce asigură o lungime de coerenţă de ordinul

sutelor de kilometri.

*) direcţionalitatea radiaţiei laser. Unghiul de divergenţă pentru laseri este de ordinul minutelor,

zecilor de minute pe când a surselor de lumină obişnuite este de ordinul zecilor de grade.

*) intensitatea radiaţiei laser este cu câteva ordine de mărime (3-8) mai mare decât cea a unui

corp incadescent aflat la temperaturi de ordinul miilor de grade Celsius.

Coerenţa luminii

Emisia unui foton prin trecerea unui atom sau molecule de pe o stare energetică excitată

pe o stare energetică inferioară are loc într-un interval de timp finit denumit timp de viaţă în

starea excitată a atomului.

Astfel, fotonul poate fi reprezentat printr-o undă de frecvenţă finită ν=(E2-E1)/h, a cărei

amplitudine în intervalul de timp creşte şi descreşte trecând printr-un maxim, alcătuind un tren

de unde cunoscut sub denumirea de tren de unde gaussian.

Dacă în cazul mediilor elastice, două sau mai multe unde pentru care există o relaţie de

fază determinată, puteau conduce uşor la obţinerea fenomenului de interferenţă, existenţa

trenurilor de undă de durată finită asociate fotonilor s-a dovedit o dificultate foarte importantă la

punerea în evidenţă a fenomenelor de interferenţă optică.

Există două aspecte ale coerenţei de interes practic:

– coerenţa temporală: coerenţa în acelaşi punct din spaţiu a două unde la momente

diferite. Coerenţa temporală este biunivoc legată de monocromaticitatea undei. Unda

monocromatică ideală are modulul gradului de coerenţă temporală unitar, durata de coerenţă şi

lungimea de coerenţă infinite.

– coerenţa spaţială: coerenţa în acelaşi moment a două unde aflate în puncte diferite.

Coerenţa spaţială este biunivoc legată de planeitatea undei. Unda plană “ideală” are modulul

gradului de coerenţă spaţială unitar.

Ilustrarea coerenţei temporale se poate face cu ajutorul unui interferometru Michelson.

Deplasarea oglinzii M2 în lungul direcţiei pe care se propagă fasciculul de lumină inident pe ea

va modifica figura de inteferenţă. Această modificare va consta în scăderea definiţiei franjelor

3

până la dispariţia completă a acestora. Cum diferenţa de drum optic rezultată prin deplasare

poate fi apreciată cunoscând viteza de propagare a luminii prin mediu, ca o întârziere între

momentele în care cele două fascicule de lumină ajung în punctul de observaţie, existenţa

franjelor de interferenţă va fi o manifestare a coerenţei temporale dintre cele două fascicule.

Ilustrarea coerenţei spaţiale se poate face cu ajutorul dispozitivului Young. Apariţia

franjelor de interferenţă este rezultatul manifestării coerenţei spaţiale ce există între fasciculele

formate la trecerea luminii prin cele două diafragme. Prin depărtarea simetrică a celor două fante

se va obţine o scădere a vizibilităţii franjelor până la dispariţia totală a acestora.

Dispariţia franjelor va corespunde situaţiei în care între cele două puncte

(corespunzătoare poziţiei fantelor) definite pe frontul de undă provenit de la sursa luminoasă nu

va mai exista o dependenţă de fază determinată şi deci când cele două fascicule de lumină ce

reprezintă o dedublare a sursei de lumină, nu vor mai fi coerente spaţial.

Coerenţa spaţială şi temporală nu pot fi în general complet separate, ele existând în

realitate cuplate.

B1. Laseri cu structuri mezoscopice ca medii active în cavităţi rezonante Fabry - Perot

In principiu în optoelectronica integrată se poate folosi orice sursă de lumină care permite

stabilirea unui cuplaj optic avantajos. Pentru obţinerea unui cuplaj optic cât mai mare, trebuie să

se folosească surse de lumină de dimensiuni cât mai mici. In plus, concentraţia direcţională şi

monocromaticitatea pot fi caracteristici de importanţă vitală. Aceste două caracteristici sunt

4

satisfăcute de laseri. O a treia caracteristică, de dimensiune, este cea care decide tipul de laser.

Laserii cu semiconductori îndeplinesc toate cele trei condiţii.

In ultimul timp au apărut în domeniul optoelectronicii integrate dispozitive de generare

coerentă a luminii bazate pe structuri semiconductoare mezoscopice.

O structură mezoscopică este formată din unul sau mai multe strate de materiale

semiconductoare cu grosimi cuprinse între 100 Å şi 1 m. Fizica structurilor mezoscopice are

caracteristici specifice care nu intră nici în sfera microscopică nici în sfera macroscopică. Acest

fapt duce la noi tipuri de dispozitive electronice în care purtătorii (electronii şi/sau golurile) au

simultan atât comportament corpuscular cât şi comportament ondulatoriu. Realizarea structurilor

mezoscopice a fost posibilă datorită dezvoltării extraordinare a tehnicilor de depunere, creştere a

semiconductorilor cum ar fi: epitaxie în fascicul molecular (MBE = molecular beam epitaxy),

depunere în vapori chimici organici a metalelor (MOCVD = metal organic chemical vapor

deposition), transport de vapori hibrizi (hybrid vapor transport), hot wall epitaxy ,etc.

In dispozitivele mezoscopice una sau mai multe dimensiuni de dispozitiv sunt mai mici

decât drum liber mediu al purtătorilor, Lfp; deci aceste dispozitive au un comportament de

neîmprăştiere de-a lungul acestor dimensiuni. In funcţie de numărul acestor dimensiuni

dispozitivele mezoscopice pot fi clasificate ca: gropi cuantice, fire cuantice şi puncte cuantice.

Gropile cuantice (QWs) constau dintr-un layer de lăţime Lz << Lfp crescut pe un material

care joacă rolul de barieră pentru purtătorii de sarcină. Mişcarea purtătorilor de sarcină este

confinată astfel într-o groapă cuantică, în planul xy. Una dintre consecinţele confinării este lipsa

translaţiei după direcţia z care implică că nivelele de energie a purtătorilor în groapa cuantică

sunt discrete. Prin urmare momentul lor kz de-a lungul direcţiei z este cuantificat şi mişcarea lor

are doar două grade de libertate: de-a lungul direcţiilor x şi y.

Firul cuantic este o structură QW confinată după două dimensiuni (2D). Lx, Lz << Lfp,

prin urmare mişcarea este confinată de-a lungul direcţiilor x şi z, purtătorii au doar un grad de

libertate, de-a lungul direcţiei y iar momentele de-a lungul direcţiilor x şi y sunt cuantificate.

5

Punctul cuantic este o structură QW confinată după trei dimensiuni (3D). Mişcarea este

acum confinată de-a lungul tuturor direcţiilor posibile, toate dimensiunile punctului Lx, Ly, Lz <<

Lfp, iar momentele de-a lungul tuturor direcţiilor sunt cuantificate.

Una din cele mai importante aplicaţii ale structurilor mezoscopice este generarea luminii

coerente. Pentru orice tip de laser sunt două condiţii de bază pentru obţinerea radiaţiei laser: (i)

amplificarea radiaţiei electromagnetice din interiorul aşa numitului mediu activ şi (ii) extragerea

radiaţiei coerente prin folosirea unei cavităţi rezonante.

In semiconductori, cel mai comun mecanism care duce la emisie de fotoni în vizibil sau

infraroşu apropiat (IR) este tranziţia unui electron din banda de conducţie în banda de valenţă.

O cavitate rezonantă Fabry-Perot (FP) formată din două oglinzi paralele cu coeficienţi de

reflecţie R1 şi R2 crează o reacţie de feedback care favorizează emisia în direcţia determinată de

cele două oglinzi în aşa fel încât contribuţia emisiei spontane în radiaţia laser este neglijabilă.

In laserii cu structuri mezoscopice ca medii active tranziţiile au loc între nivelele de

energie discrete din benzile de conducţie şi de valenţă.

O comparaţie a coeficientului de câştig, curentului de prag şi a modulaţiei lărgimii de bandă între laserii cu

structuri mezoscopice şi laserii cu structuri volumetrice, masive (bulk structures) este arătată în tabelul de mai jos.

De menţionat că performanţele unui semiconductor volumetric (bulk semiconductor) este luată ca referinţă şi îi este

asignată valoarea 1.

Parametru Volumetric (bulk) Groapă cuantică Fir cuantic Punct cuantic

Câştig 1 2 3 30

Densitatea

curentului de prag

1 1/3 1/8 1/20

Modulaţia lărgimii

de bandă

1 3 3 5

Laserii cu gropi cuantice (QW lasers) pot avea una sau mai multe gropi cuantice (QWs)

în regiunea activă. In primul caz ei se numesc laseri cu o groapă cuantică (single quantum well –

SQW) iar în al doilea caz laseri cu gropi cuantice multiple (multiple quantum well – MQW).

In alte cazuri regiunea activă este separată printr-un un layer intermediar (o

heterostructură cu confinare separată – a separate confinement heterostructure – SCH) de

regiunile dopate p şi n care sunt sursa purtătorilor. Aceste regiuni intermediare, care pot avea 6

marginile benzilor drepte (verticale) sau gradate (GRIN SCH), au rolul de creştere a factorului de

confinare în layer-ul activ, acţionând ca un ghid pentru radiaţia optică.

a) Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSEL)

Aceşti laseri cu QWs ca layere active au devenit foarte atractivi în ultimul timp deoarece

ei au curent de prag mic, capabilitate de modulare înaltă, unghi de divergenţă mic a fasciculului

emitent, costuri de producţie mici, uşurinţă de fabricare a matrici de laseri etc. Fasciculul de

ieşire în acest tip de laser este perpendicular pe planul substratului (wafer) şi pe regiunile

purtătorilor de injecţie, care joacă simultan şi rol de oglinzi, datorită structurii lor DBR

(Distributed Bragg Reflectors).

VCSELs au fost realizate cu diferite lungimi de undă: VCSELs din GaAs/InGaAs emit la

964 m, VCSELs din AlInGaP emit în regiunea roşie din spectrul vizibil, VCSELs din ZnSe

emit în regiunea verde a spectrului vizibil (funcţionează până la 77 K, în impulsuri) iar mai

recent laseri cu emisie în albastru cu semiconductori compuşi ca mediu activ sau generare de

armonica a doua. Această idee poate fi folosită pentru generarea luminii cu lungime de undă

scurtă acolo unde nu există materiale disponibile. Yamato ş.a. au construit (în 1996) un VCSEL

cu emisie în albastru crescut pe un substrat înclinat (311)B GaAs. Inclinarea substratului de la

orientarea uzuală (100) creşte coeficientul neliniar (substratul (100) nu are neliniarităţi de ordin

secund datorită simetriei cristalului). Laserul are o cavitate de lungime 6, o apertură de

diametru de 20 m, o oglindă în partea de jos cu R = 99.6 % atât pentru armonica fundamentală

(964 m) cât şi pentru armonica a doua (482 m). Ei au obţinut o putere de 1 nW la o armonică

de ordinul doi şi o putere de 1.5 mW la fundamentală. Puterea maximă a armonicii a doua a

crescut la 10 nW în modul în impulsuri şi la temperatura de 135 K.

Au fost fabricate şi VCSELs în IR: în IR apropiat (la 1.55 m) cu heterostructuri de

InGaAsP/InP şi în IR mediu (la aproximativ 3 m) cu aliaje de CdHgTe/HgTe. Hadji ş.a. (în

7

1996) au fabricat un VCSEL cu emisie la 3.06 m cu heterostructuri de CdHgTe/HgTe ca mediu

activ şi heterostructuri de CdHgTe pentru oglinzile de jos de tip DBR (Distributed Bragg

Reflectors), pompat cu un Nd:YAG la 1.06 m. Această structură produce lumină laser doar

până la 30 K, deşi LED-uri cu o geometrie VCSEL şi bazate pe aceleaşi materiale au fost

realizate la temperatura camerei.

Prin folosirea de QWs tensionate şi prin îmbunătăţirea reflectivităţii oglinzilor pot fi

realizaţi laseri cu structuri CdHgTe/HgTe până la 100 K.

VCSELs cu lungime de undă acordabilă pot fi realizate prin modularea indicelui de

refracţie, dar intervalul acordabil este foarte mic, peste câţiva nanometri. VCSELs acordabili

continuu şi pe un domeniu mai larg au fost realizaţi folosind o oglindă membrană deformabilă.

b) Laseri cu gropi cuantice tip DFB şi DBR

Amintim că DFB= Distributed Feedback Lasers, iar DBR = Distributed Bragg Reflectors.

Laserii DFB cu multiple gropi cuantice ca mediu activ au o lăţime a liniei spectrale

îngustă, curent de prag mic etc. La fel ca în cazul laserilor DFB volumici, există două căi pentru

a cupla modurile contrare de propagare: o cuplare a indicelui şi un mecanism de cuplare a

câştigului.

In laserii DFB cu indice cuplat cuplarea este realizată de o reţea situată deasupra sau

dedesubtul regiunii active care modulează indicele de refracţie în timp ce în laserii cu câştig

cuplat reţeaua este activă în sensul că ea are o pierdere sau câştig net.

Alte avantaje ale laserilor DFB cu indice cuplat în comparaţie cu corespondenţii lor

volumici: (i) pierderi mici, (ii) curenţi de prag mici datorită volumului activ mic, (iii) creşterea

câştigului şi a îngustimii liniei spectrale.8

d) Laseri cu fire cuantice (QWR) şi laseri cu puncte cuantice (QD)

Performanţele laserilor cu structuri mezoscopice ca mediu activ se îmbunătăţesc cu

confinarea purtătorilor, cu alte cuvinte sunt mai performanţi laserii cu fire cuantice decât cei cu

gropi cuantice (QW) iar mai performanţi sunt laserii cu puncte cuantice.

B2 Laseri cu gropi cuantice de tunelare

In secţiunea anterioară au fost descrise diferite tipuri de laseri cu gropi cuantice (QW) în

care radiaţia laser era emisă datorită tranziţiilor dintre banda de conducţie şi banda de valenţă

(tranziţii interbandă).

Laserii cu gropi cuantice de tunelare se bazează pe tranziţii intrabandă (sau

intersubbandă), cu alte cuvinte radiaţia laser este emisă ca o consecinţă a tranziţiilor între diferite

nivele discrete sau între diferite subbenzi din aceaşi bandă, care poate fi banda de conducţie sau

banda de valenţă.

APLICAŢIE

9

Fie un laser pe gaz de putere P = 1 mW care emite într-un singur mod un număr n de

fotoni pe secundă cu lungimea de undă λ = 632,8 nm.

De asemenea, fie un corp negru cu suprafaţa A = 10-6 m2, aflat la o temperatură T =

1000 K, care emite o radiaţie electromagnetică în jurul frecvenţei de ν = 5 * 1014 s-1, cu o abatere

de ν = 1014 s-1.

De câte ori este mai mare intensitatea (numărul de fotoni pe secundă) fasciculului laser

faţă de intensitatea radiaţiei electromagnetice emise de corpul negru aflat la temperatura de 1000

K?

Se mai dau: c = viteza luminii în vid = 3 * 108 m/s, h = constanta lui Planck = 6,62 * 10-34

J * s, k = constanta lui Boltzman = 1,38 * 10-23 J/K.

Rezolvare:

Numărul de fotoni pe secundă emişi de laser:

Conform legii lui Planck, un corp negru are o densitate volumico-spectrală de energie dată de:

Deci corpul negru emite în unitatea de timp un număr de fotoni:

Prin urmare intensitatea (numărul de fotoni pe secundă) fasciculului laser faţă de intensitatea

radiaţiei electromagnetice emise de corpul negru aflat la temperatura de 1000 K este mai mare

cu:

SUBIECTE EXAMEN

10

Subiect 1: Reprezentaţi un aranjament experimental pentru obţinerea de unde coerente de la o

sursă de lumină incoerentă.

TEME

26 Februarie 2013

Tema 1: Cum se pot modifica diversele spectre de emisie a diodelor electroluminiscente?

Observaţi că o diodă electroluminiscentă pe bază de GaP poate emite şi în roşu şi în verde. O

diodă electroluminiscentă pe bază de GaAs1-xPx poate emite şi în roşu şi în portocaliu şi galben.

11