Laser semicondutor

Contexto histrico; Princpios de estado slidoMontagem de um laser semicondutorParmetros laser;Tipos de laser;Benefcios na utilizao de laser semicondutor;Problemas e correes;Aplicaes;Estatstica comercial;ndice

1957-1961- Idias acerca da obteno de emisso estimulada em semicondutores, com teorias no totalmente fundamentadas, surgem em vrias partes do mundo;

1962- Dr. Gunther Fenner, membro do time encabeado pelo Dr. Robert N.Hall no General Electric Research Development Center em Schenectady, New York, operou o primeiro Laser de semicondutor (usando juno GaAs).

Trinta dias aps, trs outros laboratrios nos EUA, independentemente, demonstraram suas prprias verses de lasers semicondutores (todos usando junes GaAs):

Dr. Nick Holonyak, no General Electrics Syracuse, New York;

Dr. Marshall I. Nathan no IBM Research Laboratory, Yorktown Heights, New York;

Dr. Robert Rediker no MIT Lincoln Laboratory, Lexington Massachusetts.

W.P.Dumke, da IBM, faz a anlise terica decisiva acerca da obteno da inverso de populao em lasers semicondutores.

Contexto histrico

Conceitos de estado slidoSemicondutor: Um material que se comporta como condutor ou isolante dependendo da temperatura a que est sujeito. Apresentam energia de Gap muito pequena (~1eV).

Banda de Valncia: a ltima banda de energia ocupada por eltrons. Leva este nome pois este orbital atmico que define a valncia do elemento qumico.Banda de conduo: o prximo nvel energtico permitido, acima da banda de valncia. Nesta regio os eltrons so considerados eltrons livres, podendo, portanto, se movimentar no material formando a corrente eltrica.

Dopagem:Adio de impurezas qumicas elementares em elemento qumico semicondutor puro com a finalidade de dot-los de propriedades de semiconduo controlada especfica.Semicondutor do tipo P = Apresenta excesso de cargas positivas (interpreta-se um buraco como uma carga positiva).

Semicondutor tipo N = Excesso de cargas negativas.A dopagem pode :Afetar estrutura de bandas, introduzir estados permitidos na banda de conduo, afetar a distribuio de Fermi e a condutividade do material.

Junes P-NQuando juntamos um material P com um N, geramos uma difuso entre essas regies. O potencial da juno est relacionado a quantidade de cargas acumuladas atravs de:p= lacunas,

n = Eltrons livres,

Nd+=tomos doadores ionizados

Na-=tomos aceitadores ionizados

Diferenas bsicas entre lasers de semicondutor e lasers pticos tradicionais:SemicondutoresLasers tradicionaisOcupao dos nveis de energia descrita por uma funo-distribuio Fermi-Dirac;Ocupao dos nveis de energia descrita por uma funo-distribuio De Boltzmann; A caracterstica espacial da onda eletromagntica gerada depende do meio de juno. A caracterstica espacial da onda eletromagntica gerada depende de caractersticas do ressonador ptico.

Montagem de um laser semicondutor

Parmetros laserBombeamento: Corrente eltrica ou bombardeamento via eltrons energticos; Ganho: corrente de Threshold: Coeficiente de Absoro: Potncia de sada da cavidade

Equaes de taxaOnde: n(x,y,z) a densidade de eltrons;J(x,y,t) a densidade injeo de corrente;E a carga do eltron;Si o nmero de ftons no ith modoi(x,y) a funo amplitude normalizada do fton

i o fator de confinamento do ftonrst e rsp so as taxas de emisso estimulada e espontnea.Rsp a taxa de emisso espontnea total; a eficincia quntica interna(Ei) o nmero de modos por unidade de volume por unidade de energia.

Vertical Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSEL)Feixe vertical;

A divergncia do feixe inversamente proporcional ao tamanho do feixe na fonte (quanto menor a fonte, maior a divergncia)

A cavidade ao longo da direo vertical, com um comprimento muito curto, tipicamente 1-3 comprimentos de onda da luz emitida.

A refletividade requerida para baixas correntes de threshold maior que 99.9% (usam-se para isso refletores de Bragg distribuidos)

DBRs so formados deitando-se camadas alternadas de material semicondutor ou dieltrico com ndices de refrao diferentes.

Graas as camadas das DBR, pode-se apresentar problema de superaquecimento.

Tipos de Laser de semicondutor

Vantagens dos VCSEL em relao aos lasers de diodo comuns:O VCSEL mais barato de se manufaturar em quantidade;

fcil de se testar on wafer.

Mais eficiente

O VCSEL necessita menos corrente eltrica para produzir um dado feixe coerente de sada

Emitem feixes mais circulares que os de diodo normais;

Comprimento de onda sintonizvel

Eficincia e velocidade de transferncia de informaes em comunicaes por fibras pticas.

Lasers de cascata quntica Quando uma corrente eltrica flui atravs de um laser de cascata quntica, a cascata libera ftons a cada queda.

composto de pedaos de material semicondutor. Dentro dele, eltrons esto vinculados a compostos de glio e alumnio, chamados de quantum wells (poos qunticos), que so da espessura de alguns nanmetros.

Os eltrons saltam de um nvel energtico a outro e tunelam de uma camada para a prxima atravs das barreiras de energia separando os poos. Quando eles saltam, liberam energia.

Quando o eltron de menor energia deixa o primeiro poo, ele entra em uma regio do material que o coleta e envia para o prximo poo.

Benefcios dos QC LasersTipicamente de 25 a 75 poos ativos esto arranjados em um laser QC, cada um com um nvel de energia um pouco menor que o anterior (efeito cascata), permitindo que de 25 a 75 ftons sejam criados a cada jornada do eltron.

Simplesmente mudando a espessura da camada semicondutora, o comprimento de onda do laser pode ser alterado.

Quantum Dot Lasers

Estruturas de confinamento tridimensional quntico, quantum dots, providenciam uma funo delta de densidade de estados.

Aplicao em campos tais como comunicaes por fibras pticas e fonte de bombeamento.

Os nveis discretos de energia em quantum dots possibilitam uma aplicao nica:Controle de chaveamento de comprimento de onda.

Caractersitcas principais:baixa corrente de threshold a temperatura ambienteGrande ganho diferencialAlta potncia de sadaAmplo espectro sintonizvelCorrente de Threshold menos sensvel a temperatura que os lasers QC.

Porque usar lasers semicondutoresLasers semicondutores tem baixo custo de manufatura que lasers de estado slido ou a gs por causa do menor nmero de subcomponentes;

Lasers semicondutores tem menores falhas mecnicas graas tambm ao menor nmero de componetes;

Para o laser de AlGaLnAs foi demonstrado que o mesmo tem uma mdia de vida de 1.57 106 horas (180 anos), trabalhando a uma temperatura de 85C;

Baixo fator de forma, baixo custo, alta eficincia e ampla range de comprimento de onda.

Bombeamento operado por corrente, sendo sua intensidade facilmente alterada atravs disso.

Em fibras pticas, produz potncia ptica suficiente para contrabalanaras perdas intrnsecas da fibra e perdas por emenda,entre outras, e ainda fornecer o suficiente para ofotodectetor recuperar as informaes enviadas,principalmente em sistemas de curta distncia;

Problemas com o laser de semicondutor

Laser semicondutor

Aplicaes405nm-InGaNlaser azul-violeta , emBlu-ray Disce drives deHD/ DVD635nm- lasers pointer650nm-Drives de DVD, laser pointers670nm- laser pointers baratos;780nm-Compact Discdrives808nm-bombeamento emDPSSNd:YAG lasers980nm- Bombeamento paraamplificadores pticos, paraYb:YAGDPSS lasers.1064nm-comunicao por fibra ptica;1310nm- Comunicao por fibra ptica;1480nm- Bombeamento de amplificadores pticos1550nm- Comunicao por fibra ptica;1625nm- Comunicao por fibra ptica.

Estatsticas comerciais

RefernciasYariv, Amnon, Quantum Electronics, John Wiley and Sons, New York (1967); Kressel, H, Topics in Applied Physics: Semiconductor devices, Springer-Verlag, New York (1980);S. C. Zlio, ptica Moderna, IFSC-USP (2007); www.wikipedia.com.br www.google.com.br

O mais importante e que no est escrito o comprimento de coerncia. O comprimento de coerncia do laser de diodo muito menor que o comprimento de coerncia do laser de He-Ne.