ΠΑΡΑΔΟΣΕΙΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ «ΕΙΔΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ» ΚΕΦ.4 ΜΑΡΤΙΟΣ 2005

ΟΠΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ OPTICAL ή LIGHT SOURCES (Light Emitting Diode – LED) (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – LASER)

1.ΕΚΠΟΜΠΗ ΦΩΤΟΣ & ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΖΩΝΕΣ 2.LED 3.LASER

ΕΚΠΟΜΠΗ ΦΩΤΟΣ LIGHT EMISSION ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ (QUANTUM MECHANICS)

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΣΤΑΘΜΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ Τροχιές Ηλεκτρονίων  Ενεργειακές στάθμες των Ηλεκτρονιων Απορρόφηση ενέργειας  αύξηση ενεργειακής στάθμης Απόδοση ενέργειας  μείωση ενεργιεακής στάθμης

ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑΙ ΑΠΟΔΟΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Απορρόφηση ενέργειας  Μετάβαση Ηλεκτρονίου σε υψηλότερη ενεργειακή στάθμη Μετάβαση Ηλεκτρονίου Απο υψηλότερη ενεργειακή στάθμη σε χαμηλότερη  Παραγωγή Ενέργειας  Εκπομπή φωτός Χαμηλή Ενεργειακή στάθμη Υψηλή Ενεργειακή στάθμη

ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ & ΕΚΠΟΜΠΗΣ  Το Ηλεκτρόνιο διεγείρεται και «ωθείται» σε υψηλοτερη στάθμη  Η στάθμη μετά την «ώθηση» είναι αρκετά υψηλή  ΑΣΤΑΘΗΣ  Το ηλεκτρόνιο μεταβαίνει σε χαμηλότερη στάθμη και η κατάστασή του γίνεται ποιό σταθερή  Η μετάβαση σε χαμηλότερη στάθμη παράγει ενέργεια  ΕΚΠΟΜΠΗ ΦΩΤΟΣ Ασταθής κατάσταση  Μετάβαση «Εισαγωγή» ενέργειας Ε1 Ε2 Ε3 h*ν = Ε3 – Ε2

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΖΩΝΕΣ ΚΑΙ «ΚΕΝΑ» (gaps  Eg)  Filled band  Ζώνη ηλεκτρονίων με χαμηλά ενεργειακά επίπεδα - κοντά στον πυρήνα (εσωτερικά) – σταθερά – δεν δημιουργού δεσμούς  Valence Band  Ζώνη ηλεκτρονίων σε υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα  Conduction Band  Ζώνη «ΕΛΕΥΘΕΡΩΝ» ηλεκτρονίων σε πολύ υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα με πολλούς βαθμούς ελευθερίας αγωγοίημιαγωγοίμονωτές

ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΕΠΑΦΗ “pn” pn p  έλειψη ηλεκτρονίων (η προσθήκη – doping του Group III element προκαλεί έλειψη σε ηλεκτρόνια σε σύγκριση με το απλό πυρίτιο - Silicon n  περίσσεια ηλεκτρονίων (η προσθήκη – doping του Group V element προσθέτει επιπλέον ηλεκτρόνια ) (hole +) (e-)

ΕΠΑΦΗ “pn”  ΟΠΕΣ / ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ & ΦΩΤΟΝΙΑ Η «ΕΠΑΦΗ» των περιοχών p/n δημιουργεί την περιοχή αραίωσης (depletion region V D ) Η «ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΟΡΘΗΣ ΤΑΣΗΣ V >= V D » μειώνει το ενεργειακό χάσμα και προκαλεί ροή ηλεκτρονίων απο περιοχή “n  p” Τότε τα ηλεκτρόνια «ΕΠΑΝΑΣΥΝΔΕΟΝΤΑΙ» με τις οπές Αυτό το φαινόμενο δημιουργεί την εκπομπή φωτονίων  ΜΙΑ ΕΠΑΝΑΣΥΝΔΕΣΗ = ΕΝΑ ΦΩΤΟΝΙΟ

ΕΠΑΦΗ “pn”  ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΣΤΗΝ ΕΚΠΟΜΠΗ ΦΩΤΟΣ ΤΡΕΙΣ (3) ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ ΜΕΤΑΒΑΣΗΣ ΤΡΕΙΣ (3) ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ ΜΕΤΑΒΑΣΗΣ  Απορρόφηση (absorption)  Μη εκπέμπουσα μετάβαση (non – radiative)  Εκπέμπουσα μετάβαση (emission)

Light Emitting Diode LED

Light Emitting Diode – LED (ΕΚΠΟΜΠΗ ΦΩΤΟΣ ΑΠΟ ΕΠΑΦΗ pn ΤΥΠΟΥ LED)

LED: ΚΥΚΛΩΜΑ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ I f = I(forward) = Ρεύμα ορθής πόλωσης σε mA R = αντίσταση περιορισμού ρεύματος Po = Light Output = εκπεμπόμενη οπτική ισχύς σε miliWatt (mW) Οπτική ισχύς Po  ΕΥΘΕΩΣ ΑΝΑΛΟΓΗ  του ρεύματος I f (ΥΠΕΝΘΥΜΙΣΗ: Ηλεκτρική ισχύς  ανάλογη του Ι 2 )

LED: ΓΡΑΜΜΙΚΟΤΗΤΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗΣ Παλμική λειτουργία LED Συνεχής λειτουργία LED Εξάρτηση της γραμμικότητας της LED απο τον τρόπο λειτουργίας Παλμική λειτουργία (ON – OFF, 1 / 0) «ξεκουράζει» & «ψύχει»  ΠΟΙΟ ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Συνεχής λειτουργία (Continuous) επιβαρύνει  ΛΙΓΟΤΕΡΟ ΓΡΑΜΜΙΚΗ

LED: ΟΠΤΙΚΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ «λ» & ΑΠΌΣΤΑΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΖΩΝΩΝ (Eg) E g = h c / λ = 1240eV-nm/λ (c = λ ν) h = Plank's Constant = 4.13 x eV s c = speed of light = x 10 8 m/s λ = wavelength in nm

Material Formula Energy Gap (Eg) Wavelength (λ) Gallium Phosphide GaP2.24 eV550 nm Aluminum Arsenide AIAs2.09 eV590 nm Gallium Arsenide GaAs1.42 eV870 nm Indium Phosphide InP1.33 eV930 nm Aluminum- Gallium Arsenide AIGaAs eV nm Indium-Gallium- Arsenide- Phosphide InGaAsP eV nm LED: ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΕΚΠΕΜΠΟΜΕΝΟ «λ»

ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑ (Internal Quantum Efficiency – n int )  Μη εκπέμπουσα (non – radiative)  Εκπέμπουσα (emission) n int = P o / P e n int = P o / P e P o = Οπτική ισχύς P e = Ηλεκτρική Ισχύς Αναλυτικός τύπος Αναλυτικός τύπος PoPoPoPo PePePePe

ΕΞΩΤΕΡΙΚΗ ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑ (External Quantum Efficiency – n ext ) substrate n p cc n1n1 n2n2 n ext = Αριθμός φωτονίων που εξέρχονται της LED n ext = Αριθμός φωτονίων που εξέρχονται της LED Μηχανισμοί απωλειών που επηρεάζουν το n ext : Μηχανισμοί απωλειών που επηρεάζουν το n ext : (1) Απορρόφηση μέσα στην LED (2) Απώλειες Fresnel : part of the light gets reflected back, reflection coefficient: R={(n 2 -n 1 )/(n 2 +n 1 )} (3) Απώλειες Critical angle: all light gets reflected back if  >  C with  C =sin - 1 (n 1 /n 2 ) critical angle [e.g.  C =17° for GaP/air interface with n 2 =3.45, n 1 =1]

HOMOJUNCTION – HOMOSTRUCTURE “p n” τμήματα προερχόμενα απο ιδιο Υλικό - Substrate (ίδιο Eg) HETEROJUNCTION – HETEROSTRUCTURE “p n” τμήματα προερχόμενα απο διαφορετικά Υλικά - Substrate (διαφορετικό Eg) ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΗ ΔΟΜΗ ΤΗΣ LED

SLED ELED HOMOJUNCTION – HOMOSTRUCTURE “p n” τμήματα προερχόμενα απο ιδιο Υλικό - Substrate (ίδιο Eg)

ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΗ ΔΟΜΗ ΤΗΣ LED HETEROJUNCTION – HETEROSTRUCTURE “p n” τμήματα προερχόμενα απο διαφορετικά Υλικά Substrate (διαφορετικό Eg) DOUBLEHETEROSTRUCTURE  Κατευθυντικότητα  Μικρή επιφάνεια εκπομπής

ΤΥΠΟΙ LED ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ SLED ELED

ΓΩΝΙΑ ΚΑΙ ΛΟΒΟΣ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΤΗΣ LED SLED ELED Πηγή εκπομπής τύπου Lambertian P = P 0 cosθ ΗETEROSTRUCTURE HOMOSTRUCTURE θ θ

ΣΥΖΕΥΞΗ ΤΗΣ LED ΜΕ ΤΗΝ ΟΠΤΙΚΗ ΙΝΑ Ταίριασμα του «θ» της LED με το «ΝΑ» της οπτικής ίνας Burrus SLED (Bell Labs 1971) P in =P 0 (NA) 2 για Step Index Οπτική Ινα και προσεγγιστικα Για Graded Index Οπτική Ινα

ΣΥΖΕΥΞΗ ΤΗΣ LED ΜΕΣΩ ΦΑΚΩΝ ΕΣΤΙΑΣΗΣ Micro – Lens Σύζευξη Macro – Lens Σύζευξη Ταίριασμα του «θ» της LED με το «ΝΑ» της οπτικής ίνας

ΣΥΖΕΥΞΗ ΤΗΣ LED ΜΕ ΕΠΕΜΒΑΣΗ ΣΤΟ ΝΑ ΤΗΣ ΟΠΤΙΚΗΣ ΙΝΑΣ Ταίριασμα του «θ» της LED με το «ΝΑ» της οπτικής ίνας

ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΟΔΗΓΗΣΗ ΤΗΣ LED (ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ) Απλό κύκλωμα με τρανζίστορ Γραμμικό κύκλωμα χαμηλών συχνοτήτων με OpAmp

Γραμμικό κύκλωμα υψηλών συχνοτήτων με OpAmp ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΟΔΗΓΗΣΗ ΤΗΣ LED (ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ)

ΨΗΦΙΑΚΗ ΟΔΗΓΗΣΗ ΤΗΣ LED (ΨΗΦΙΑΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ) Απλό κύκλωμα με τρανζίστορ (LED εν σειρά) για χαμηλά bit rates Απλό κύκλωμα με τρανζίστορ (LED εν παραλλήλω) για υψηλότερα bit rates Ειδικό κύκλωμα με τρανζίστορ και βελτιωμένους χρόνους (On – Off) για πολύ υψηλότερα bit rates

ΧΡΟΝΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΤΗΣ LED ΣΕ ΨΗΦΙΑΚΗ ΟΔΗΓΗΣΗ Ειδικό κύκλωμα με τρανζίστορ και βελτιωμένους χρόνους (On – Off) για πολύ υψηλότερα bit rates IfIfIfIf PoPoPoPo

ΧΡΟΝΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΤΗΣ LED ΣΕ ΨΗΦΙΑΚΗ ΟΔΗΓΗΣΗ t r = 2.2 [ τ + (1.7 x 10 –4 x T°K x C ) /I p ] BW = 0.35 / t r BW = 0.35 / t r

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ LED Active Material TypeRadiating wavelengt h (nm) Spectral width (nm) Output power into fiber ( µ W) Forward current (mA) Rise/fall time (ns) AIGaAs SLED –135020(min)13/10 ELED85035–6510–8060–1002/2–6.5/6.5 GaAs SLED –140100— ELED – /6.5 InGaAsP SLED –501003/3 ELED –15030–1001.5/2.5 ELED155040–701000– –5000.4/0.4– 12/12 ΓΙΑ ΜΙΑ LED TO ΓΙΝΟΜΕΝΟ “BW * P O ” = ΣΤΑΘΕΡΟ

ΣΥΓΚΡΙΣΗ LED ΜΕ LASER Comparison of LEDs and Lasers CharacteristicsLEDsLasers Output Power Linearly proportional to drive current Proportional to current above the threshold Current Drive Current: 50 to 100 mA Peak Threshold Current: 5 to 40 mA Coupled PowerModerateHigh SpeedSlowerFaster Output PatternHigherLower BandwidthModerateHigh Wavelengths Available0.66 to 1.65 µm0.78 to 1.65 µm Spectral WidthWider ( nm FWHM) Narrower ( nm to 10 nm FWHM) Fiber TypeMultimode OnlySM, MM Ease of UseEasierHarder Lifetime LongerLong CostLow ($5-$300) High ($100-$10,000)