Lézerek Nagy Szilvia
Tartalom működés atomi energiaszintek populációinverzió tulajdonságokk alkalmazás atomi energiaszintek populációinverzió energiasávok szilárdtestekben félvezető heteroátmenetek kvantum well lézerek VCSEL-ek Interaktív KTV 2008
A lézerek tulajdonságai Monokromatikus fény – kis sávszélesség Kis divergencia – keskeny, irányított nyaláb Koherens nyaláb – a fotonok közel azonos fázisúak Többnyire nem túl nagy teljesítmény nagy teljesítménysűrűség nem nagyon hatékony energiaátalakítás Interaktív KTV 2008
Felhasználás Anyagfeldolgozás – vágás, fúrás, hőkezelés, olvasztás, … Optikai jelek olvasása – CD, vonalkód, … Grafika – nyomtatók, színelválasztók, nyomtatási lemezek, sablonok, … Laboratórium, mérések Orvoslás – vérzés nélküli szike, tumor roncsolás, … Katonai – célzók, keresők, … Hírközlés Interaktív KTV 2008
A lézerek működése Mi kell a lézerek működéséhez Lézer erősítő – optikai erősítés Optikai rezonátor – pozitív visszacsatolás a fény optikai teljesítménye visszaverődés előtt: P visszaverődés után: (1−t1)P reflexió Interaktív KTV 2008
A lézerek működése Mi kell a lézerek működéséhez Lézer erősítő – optikai erősítés Optikai rezonátor – pozitív visszacsatolás új fotonok keletkeznek visszaverődés optikai erősítés: P g∙ℓ∙P Interaktív KTV 2008
A lézerek működése Mi kell a lézerek működéséhez Lézer erősítő – optikai erősítés Optikai rezonátor – pozitív visszacsatolás t2∙P (1−t2)P Interaktív KTV 2008
A lézerek működése Teljesítmény egy körben P ℓ Interaktív KTV 2008
Zajforrások RIN (Relative Intensity Noise) random amplitúdófluktuáció zajteljesítmény 1MHz-es sávban/össztelj. -160dB/Hz, amin a visszavert hullámok sokat rontanak: izolátorok Chirp – mellékhullám moduláció: kicsi frekvenciamoduláció - ciripelés nagyobb CSO hőmérsékletváltozás eltolódó karakterisztika Interaktív KTV 2008
Atomi energiaszintek A Schrödinger-egyenlet megoldása szerint kvantált sajátenergiák hozzájuk rendelhető hullámfüggvények 2. gerjesztett állapot 1. gerjesztett állapot alapállapot Interaktív KTV 2008
Atomi energiaszintek Ha egy energiájú foton kölcsönhat egy atommal, egy elektron az Em szintről az En energiaszintre gerjesztődhet: foton abszorpció – relatív gyakoriság: foton Interaktív KTV 2008
Atomi energiaszintek Egy gerjesztett elektron az Em szintről az alacsonyabb En szintre tud relaxálódni, miközben egy fotont bocsát ki, melynek energiája: spontán emisszió – relatív gyakoriság: foton – random irány spontán élettartam Interaktív KTV 2008
Atomi energiaszintek Ha egy energiájú foton egy olyan atommal hat kölcsön, melynek egy gerjesztett elektronja van az En szinten, a foton az elektront az En szintre való lépésre késztetheti indukált emisszió foton 2 foton – azonos irány, azonos fázis Interaktív KTV 2008
Atomi energiaszintek Az indukált emisszió sokkal a spontán élettartam vége előtt létrejöhet. indukált emisszió: egy foton be két foton ki Az optikai erősítő megvalósítható olyan atomok halmazaként, melyeknek sok elektronja van ugyanabba a hosszú spontán élettartamú állapotba gerjesztve. Interaktív KTV 2008
Atomi energiaszintek Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation A rezonátor többnyire sokkal hosszabb a fény hullámhosszánál (több lehetséges módus). Upper Laser Level Lower Laser Level Interaktív KTV 2008
Atomi energiaszintek Egyensúlyban a relatív gyakoriságokra igaz: Így a hn energiájú fotonok sűrűsége relatív betöltési valószínűség Interaktív KTV 2008
Populációinverzió Termodinamikai egyensúlyban az állapotok betöltöttsége a Boltzmann-tv szerinti: a relatív betöltöttség így Interaktív KTV 2008
Populációinverzió A fotonsűrűséget a fekete test sugárzás eredményeivel összehasonlítva: Interaktív KTV 2008
Populációinverzió Termodinamikai egyensúlyban az állapotok betöltöttsége a Boltzmann-tv szerinti: Ha Bmn=Bnm, egyensúlyban az abszorpció relatív gyakorisága sokkal nagyobb, mint az indukált emisszióé Interaktív KTV 2008
Populációinverzió valahogy a felső lézer szinten (ULL) lévő elektronok számát meg kell növelni populációinverzió jön létre A részecskék nem termodinamikai egyensúlyban vannak Interaktív KTV 2008
Populációinverzió A populációinverzió létrehozása az elektronokat egy rövid spontán élettartamú energiaszintre gerjesztjük: pumpálás a pumpálási szintről (pumping level) az elektronok a felső lézer szinre (upper laser level) relaxálódnak, melynek nagy a spontán élettartama a felső lézer szinten elektronok halmozódnak fel PL ULL LLL GS Interaktív KTV 2008
rövid spontán élettartam Populációinverzió Háromszintű lézer Négyszintű lézer pumping level pumping level upper laser level upper laser level lower laser level = lower laser level ground state ground state rövid spontán élettartam Interaktív KTV 2008
Populációinverzió Populációinverzió létrehozásának módjai speciális szűrők elektromos pumpálás direkt elektromos kisülés rádiófrekvenciás tér elektronsugár p-n heterostruktúra optikai pumpálás kémiai pumpálás nukleáris pumpálás Interaktív KTV 2008
Energiasávok szilárdtestekben Szilárdtestekben az atomi nívók kiszélesednek energiasávok jönnek létre vibrációk (és rotációk) a kristályban az energiaszintek momentumfüggése degenerált állapotok felhasadása, … vezetési sáv (conduction band) tiltott sáv (gap) – nincsenek elektronok valenciasáv (valance band) Interaktív KTV 2008
Energiasávok szilárdtestekben A Fermi-szint a legmagasabb olyan energiaszint, amely betöltött: a Fermi-szint a vezetési sávban fém a Fermi-szint a gapben szigetelő fém szigetelő (félvezető) Interaktív KTV 2008
Energiasávok szilárdtestekben Nem 0 hőmérsékleten a Fermi-szint nem szigorú: a betöltési valószínűség Fermi-Dirac statisztikát követ T = 0 K T > 0 K f(E) f(E) Interaktív KTV 2008
Energiasávok szilárdtestekben Így ha egy szigetelő tiltott sávja nagyobb mennyiségű elektron lehet jelen a vezetési sávnban: vezetési sáv gap vezetési sáv félvezető szigetelő Interaktív KTV 2008
Energiasávok szilárdtestekben Egy kristályban az energiaszintek függenek a k hullámszámtól (kvázimomentum): c.b c.b indirektgap direkt gap v.b v.b momentum megmaradás nincs foton kibocsátás nem kell momentumot vinni foton emisszió lehet Interaktív KTV 2008
Heterojunctions in semiconductors töltéshordozók vihetők a félvezetőkbe adalékolással (doping): V főcsoport atomjai: elektronok n-típus III főcsoport atomjai: lyukak p-típus vezetési sáv lokalizál akceptor/donor nívók p-típus n-típus vegyértéksáv Interaktív KTV 2008
Heterojunctions in semiconductors Ha egy n típusú és egy p típusú réteg kontaktusba kerül, az érintkezés közelében a pozitív és negatív töltéshordozók rekombinálódhatnak fotonok keletkezhetnek potenciálgát alakul ki nincs rekombináció Interaktív KTV 2008
Heterojunctions in semiconductors Ha egy n típusú és egy p típusú réteg kontaktusba kerül, A rekombinációmegáll, hacsak nem alkalmazunk külső feszültséget: LED rekombináció lehetséges: aktív régió Interaktív KTV 2008
Heterojunctions in semiconductors az egyszerű heteroátmeneteknek vannak hátrányai: a rel. nagy térbeli kiterjedés miatt nagy áramok kellenek a populációinverzió fenntartásához nagy hő termelődik, akár az eszközt is tönkreteheti Megoldás: szorítsuk be a nagy áramú részt kicsi helyre dupla heteroátmenet Interaktív KTV 2008
Heterojunctions in semiconductors A kettős heteroátmenet a populációinverziót kis térbeli tartományba korlátozza, két különböző tiltott sávval (D1 és D2) rendelkező félvezető alkalmazásával: aktív réteg Interaktív KTV 2008
Heterojunctions in semiconductors A dupla heteroátmenet félvezetői nemcsak a D1, D2 tiltott sávjukban, hanem az n1 és n2 törésmutatójukban is különböznek: aktív réteg a lézersugár is lokalizált x irányban Interaktív KTV 2008
Heterojunctions in semiconductors A dupla heteroátmenet mind a populációinverziót, mind pedig a lézernyalábot lokalizálja kevesebb hő elektróda szubsztrát, p típus p típus, D2 aktív réteg, D1 n típus, D2 szubsztrát (n típus/adalékolatlan) Interaktív KTV 2008 elektróda
Heterojunctions in semiconductors Azért, hogy ne keletkezzenek mechanikai feszültségek a kristályban, a rétegeknek hasonló rácsállandóval kell rendelkezniük. példák p-GaAs, p-InGaAsP,… p-Ga0,7Al0,3As, p-InP,… Ga0,95Al0,05As, InGaAsP,… n-Ga0,7Al0,3As, n-InP,… n-GaAs, n-InP,… Interaktív KTV 2008
Heterojunctions in semiconductors A vékony rétegeknek igen pontos vastagsággal kell rendelkeznie, pontos növesztési eljárások szükségesek: fémorganikus kémiai párologtatás (metal-organic chemical vapor deposition) molekulasugaras epitaxia (molecular beam epitaxy) Interaktív KTV 2008
Heterojunctions in semiconductors A tükröket a rétegekre merőlegesen alakítják ki a fény a rétegekkel párhuzamosan terjed A csíkok hasítás utáni felülete többnyire eléggé visszaverő. Ám az optikai tulajdonságai ezeknek a felületeknek nem kontrollálható Megoldás: Bragg-refraktorok fény Interaktív KTV 2008
Heterojunctions in semiconductors A populációinverzió a másik irányban is lokalirálható: elektróda a csíkszerű elektróda megszorítja az áram folyásának helyét a populációinverzió csak kis sávban jön létre Interaktív KTV 2008
Heterojunctions in semiconductors Speciális geometriával a lézernyaláb és a populációinverzió is megszorítható törésmutató n<n1 A magasabb törésmutatójú rész hullámvezető n típus n típus p típus p típus az n-p átmenetek nem engednek áramot erre Interaktív KTV 2008
Heterojunctions in semiconductors Speciális geometriával a lézernyaláb és a populációinverzió is megszorítható minél vékonyabb a réteg annál kevesebb módus tud terjedni minél keskenyebb a réteg, annál kevesebb áram szükséges a megfelelő populáció-inverzióhoz elliptikus sugár Interaktív KTV 2008
Heterojunctions in semiconductors For proper optical confinement single waveguide mode is needed the higher order modes have to be cut off. This requires thickness or less. For l= the1.3 mm, d<0.56 mm. (ng and nc are reflective indices of waveguide and the cladding) Interaktív KTV 2008
Heterojunctions in semiconductors If the waveguide is too thin, the light spreads out of it the loss increases. For confining the population inversion thinner layers would be needed. Solution: the waveguide and the active layer are not the same – Separate Confinement Heterostructure (SCH) active layer waveguide Interaktív KTV 2008
Heterojunctions in semiconductors If the waveguide is too thin, the light spreads out of it the loss increases. For confining the population inversion thinner layers would be needed. Solution: the waveguide and the active layer are not the same – GRaded INdex SCH (GRINSCH) active layer waveguide Interaktív KTV 2008
Quantum well lasers If the active region is thin enough, 10 nm only few layers of atoms in the active region quantum well is formed The solution of the Schrödinger equation of quantum wells: electron in a potential well in the x direction free electron gas solution in the yz plane Interaktív KTV 2008
Quantum well lasers The solution of the 1D potential well problem: Interaktív KTV 2008
Quantum well lasers The solution of the 1D potential well problem: the Schrödinger equation Interaktív KTV 2008
Quantum well lasers the boundary conditions: Interaktív KTV 2008
Quantum well lasers The solution of the differential equation system: with and Interaktív KTV 2008
Optikai adók spektrumképei Interaktív KTV 2008
Korszerű DFB lézeradó 1310 nm-re Interaktív KTV 2008
Korszerű EMS lézeradó 1550 nm-re Interaktív KTV 2008
Nd:YAG EMS lézeradó 1319nm-re Interaktív KTV 2008
EMAT lézeradó 1550 nm-re Interaktív KTV 2008
Az EDFA és működése Interaktív KTV 2008
Az EDFA zaja Interaktív KTV 2008
HI-Power EDFA Interaktív KTV 2008
Optical Loss Budget OLB Interaktív KTV 2008
Optikai hálózati struktúrák Interaktív KTV 2008
Tipikus optikai elosztóhálózat Interaktív KTV 2008
A hibrid vonalhálózat felépítése Interaktív KTV 2008
Optikai elosztóhálózat tervezése Interaktív KTV 2008
Optikai elosztóhálózat tervezése Interaktív KTV 2008
Optikai elosztóhálózat tervezése Interaktív KTV 2008
Harmonic Lightwaves Inc. Link Extender Interaktív KTV 2008
A Link Extender előnyei Interaktív KTV 2008
Optikai gyűrű felépítése Interaktív KTV 2008
Optikai gyűrű tervezése Interaktív KTV 2008
Optikai gyűrű tervezése Interaktív KTV 2008
Optikai gyűrű tervezése Interaktív KTV 2008
C. R. Pollock, Fundamentals of Optoelectronics Irwin, Chicago, 1995. Fiber Optic Handbook, Fiber, Devices, and Systems for Optical Communications, editor: M. Bass, (associate editor: E. W. Van Stryland) McGraw-Hill, New York, 2002. J. L. Miller, and E. Friedman, Photonics Rules of Thumb, Optics, Electro-Optics, Fiber Optics, and Lasers, McGraw-Hill, New York, 1996. P. C. Becker, N. A. Olsson, and J. R. Simpson, Erbium-Doped Fiber Amplifiers, Fundamentals and Technology, Academic Press, San Diego, 1999. J. Singh, Semiconductor Optoelectronics, Physics and Technology, McGraw-Hill, New York, 1995. J. Singh, Optoelectronics, An Introduction to Materials and Devices, McGraw-Hill, New York, 1996. C. R. Pollock, Fundamentals of Optoelectronics Irwin, Chicago, 1995. Interaktív KTV 2008