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Module 1: Fontes Óticas na Comunicação Fiber Optic

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Semicondutor Ganha Mídia-Estrutura, Espectro

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Nesta palestra, analisaremos o básico de algumas estruturas de diodo LED e laser.
Design de dupla Hetero-estrutura

A estrutura básica e o meio de ganho de um diodo laser também são os mesmos de LED. Em diodos a laser, temos alguns espelhos adicionais que são fabricados nas facetas finais, mas o material usado para a geração de fótons e o mecanismo de geração de fótons são semelhantes para LEDs e diodos Laser. Geralmente, é uma junção de pn tendente a frente que é mostrada na figura acima.
O diodo de junção do pn é tipicamente formado por dopagem o substrato semicondutor com material tipo p e n, conforme mostrado, e a região de depleção é formada na junção através da estrutura como mostrado. Há um contato metálico através do qual a corrente de injeção é permitida a fluir através do diodo. As recombinações geralmente acontecem na região de depleção, com larguras típicas de 1-10 μm na maioria dos materiais semicondutores. A largura da região de depleção é decidida pela corrente de injeção e concentração de dopante. Agora, esse tipo de estrutura é chamada de homo-junção porque o material que constitui o tipo p e o doping do tipo n tem a mesma banda de bandgap. Uma vez que o bandgap em qualquer um dos lados da junção é o mesmo, não há possibilidade de confinamento das operadoras. Significa que na presença de uma corrente de injeção I, as operadoras são geradas em qualquer lugar dentro dessa largura da região de depleção e assim, as recombinações podem realmente acontecer de forma amplamente distribuída sobre toda essa região de depleção. Trata-se de uma forma muito ineficiente de gerar luz. Isso resulta em uma eficiência quântica interna muito baixa. Os LEDs foram feitos inicialmente com esse tipo de arranjo. No entanto, uma modificação que é mais popular é uma hetero-junction, fabricada em uma estrutura semicondutora. A junção Hetero consiste em uma heterostrutura dupla, descrita abaixo.

A heterostrutura dupla consiste em dopagem tipo p e n-tipo como antes. No entanto, essa estrutura é diferente de homo-junção nisso, uma fina camada ativa é cultivada entre os dois p e n tipo de material dopado. O bandgap do material de p e n do tipo é escolhido para ser idêntico (Eg1). A espessura desta camada ativa é de cerca de 0,1 μm, que são várias ordens de grandeza menores do que a largura da própria região de depleção. O material para a camada fina é escolhido tal que o bandgap desse material é menor do que Eg1. Isso resulta em dois benefícios-confinamento de portadoras e confinamento óptico. A estrutura da banda é mostrada na direita, que mostra o nível de energia mais baixo da banda de condução e o nível de energia mais alto da banda de valência.
Na presença de uma corrente tendente à frente, os furos são injetados do lado p e os elétrons são injetados a partir do n-side em direção à junção. No entanto, há um grande potencial bem na junção devido à diferença de lacunas de banda, por causa da qual todos os portadores ficam confinados nessa região ativa. Isso resulta em confinamento de operadora. Uma vez que a largura da camada ativa é muito menor, a densidade da operadora torna-se maior. A densidade de portadora maior aumenta a possibilidade de recombinações radiativas e, assim, o processo de cultivo de uma fina camada ativa entre o tipo p e n-tipo ajuda no aumento da recombinação radiativa. Agora, o segundo benefício é o confinamento óptico. Em semicondutores, é constatado que materiais com uma maior lacuna de banda têm índices refrativos menores. Significa que a luz emitida na região ativa de banda inferior ativa realmente experimenta o índice refrativo mais elevado. A trama em vermelho mostra o perfil de índice refrativo em toda a banda para uma heterostrutura dupla. Os fótons gerados na região ativa estão presos em uma região de maior índice refrativo. Assim, a estrutura atua como um waveguide. Na verdade, o perfil de índice refrativo de uma fibra de índice de degrau parece exatamente semelhante ao perfil mostrado aqui. A condição de limite imposta por este perfil de índice refrativo permite apenas padrões de campo transversais específicos -também chamados de modos transversos do waveguide. Dependendo do contraste de índice refrativo e da largura da camada ativa, a estrutura pode suportar a operação de modo único para um determinado comprimento de onda, que é o modo de operação mais preferido em sistemas de comunicação óptica. Espera-se que o perfil transversal deste único modo siga um perfil gaussiano. Veremos os detalhes enquanto estudamos os modos de uma fibra óptica.

Um exemplo de um design de dupla heterostrutura com substrato de Gallium Arsenide é mostrado na figura acima. De um lado, ele é dopado com um material do tipo p e do outro lado, com um material do tipo n, formando assim a junção pn. A concentração molar de Gallium e Alumínio na camada ativa é alterada de tal forma que seu bandgap Eg é agora menor que Eg1. Isso resulta em um índice refrativo superior na região ativa e como discutimos anteriormente, isso leva ao confinamento de portadoras e ao confinamento óptico.

Band-gap engineering O próprio comprimento de onda de emissão pode ser controlado através da engenharia de band-gap. Por exemplo, a emissão em um comprimento de onda na faixa de 0,81-0,87 μm pode ser projetada pela engenharia as proporções de Ga, Al e Como em GaAlAs. Para a emissão em 1-1,65 μm, que inclui a banda de comunicação mais comumente utilizada de 1,5 μm, o material utilizado é Indium Gallium Arsenide Phosphide (InGaAsP). Trata-se de ligas de semicondutores compostos feitas com diferentes pesos molares dos elementos constituintes. Um pode basicamente engendrar o valor de Eg para obter uma faixa desejada de comprimento de onda, ajustando as concentrações molares. Por exemplo, pegue um semicondutor composto-InGaAsP com concentração de x molar de Gallium e y do Arsenic com Indium de concentração 1-x e Phosphorus de concentração 1-y. Geralmente, o x/y = 0,45 é necessário para correspondência de lattice de outra forma a estirpe devido à incompatibilidade de latro/incompatibilidade resultaria em ineficiência de redução. A relação empírica que conecta o bandgap e a concentração molar é mostrada aqui. Agora, ao escolher as concentrações molares adequadas, pode-se chegar a composições materiais que emitem nas faixas de comprimento de onda desejadas. Note-se que, o bandgap Eg da região ativa decide essas propriedades e, portanto, o bandgap de p e n regiões não desempenham qualquer papel na decisão do comprimento de onda de emissão. Seguimos agora para entender como a natureza do espectro a partir de uma fonte de semicondutores pode ser derivada intuitivamente.
Largura espectral

O diagrama de E-k é útil para entender os comprimentos de onda de emissão e a largura espectral de emissão. O silício não é usado como fonte porque é um material de bandgap indireto. A frequência mínima (νmin) emitida por um material corresponde à menor diferença de energia entre a valência e a banda de condução-que é de fato a energia do bandgap, Eg. Assim, o νmin= Eg / h é a frequência mínima que pode ser emitida por um semicondutor com gap de banda Eg.
Isso pode ser representado em termos do comprimento de onda mínimo correspondente como λconformes Melhores Melhores (μm) Melhores Melhores. Melhores Vezes Melhores (Melhores Vezes Melhores).

Agora, descobriremos a maior frequência ou o comprimento de onda mais curto que pode ser emitido a partir da estrutura. Como sabemos, a estrutura da banda em um semicondutor pode ter um continuum de níveis de energia. Assim, o comprimento de onda mais curto vai ficar decidido pela maior diferença de nível de energia entre o qual, as transições podem ocorrer. Essa maior separação de nível de energia ocupada é decidida pelo (a) densidade conjunta de estados e (b) probabilidade de ocupação desses estados energéticos. Por definição, a densidade conjunta dos estados é o número de estados por volume unitário com energias entre as dores e os melhores que podem interagir com (emitem ou absorver) os fótons de energia satisfazem, satisfazendo as condições de conservação de energia e momentum. Assim, a densidade conjunta dos estados pode ser derivada do diagrama E-k da seguinte forma.
Densidade de elétrons dos estados:
A densidade dos estados, a (k) é definida como o número de estados ocupados por elétrons com wavenumbers (momentum) entre k e k + dk. Utilizamos o modelo de onda para o elétron para derivar a densidade de estados nas bandas de valência e condução. Neste modelo, o elétron é descrito como uma função de onda com vetor de ondas k, energia E e spin. O elétron perto da banda de condução pode ser visualizado como uma partícula de mc de massa eficaz, enfeccionada em um cubo de volume, V no semicondutor. As soluções de ondas permanentes impostas pelas condições limite do volume exigem que os componentes x, y e z do k assumam valores discretos, para que a onda de elétrons sobreviva no volume através de interferências construtivas. Seguindo a abordagem em óptica de ressonador (a ser discutida mais tarde no curso), as ondas de elétrons podem agora ser pensadas de forma fechada em um ressonador tridimensional, permitido ter vectores de ondas com seus componentes assumindo valores discretos olhos kolhos, kolhos, kolhos, kolhos de olhos = Meia Coisa de meia, meia piscina, meia piscina abaixo, com qinha, qoa, qoa

representando números inteiros positivos.

Assim, os valores permitidos de k podem ser pensados para formar um k-space, com, O volume da célula unitária no espaço permitido k-space = meia precisa de meia

O número de pontos por volume unitário no k-espaço permitido = a nossa melhor forma de viagem

Nº. de estados com número de onda k =

Ar não tem ar não tem ar mais não tem mais do que o mais de uma vez mais de uma vez mais de vez de forma de vez mais de vez de forma mais de vez de mais de forma

= mais uma vez
× Vezes Superior a Atingir × a Forma Mais de Vezes a Pessoa = Pessoa de Pessoa A a-se

Note-se que, um octante de esfera é considerado desde kits, kits, kits

pode assumir apenas valores positivos, sendo que o fator de 2 na expressão acima é para dar conta do fato de que o mesmo estado pode ser ocupado por dois elétrons com giros opostos.
Número de estados com número de onda k, por volume unitário = vagas de melhor forma vagas.

NPTEL-Tecnologia de Comunicação Ótica-Palestra 10 Página 6 Portanto, o número de estados com número de onda entre k e k + dk, por volume unitário (densidade de estados), ρ (k) dk = amanheceu melhor vezes melhor do que as vezes melhor do que a nossa.

Por isso, a densidade de estados de elétrons com impulso k é dada como,

ρ (k) = Vezes Superior às vezes (1)

Para encontrar a densidade de estados na banda de condução:
Deixe que as empresas C representem o número de níveis de energia na banda de condução por unidade de volume unitário, com energia entre E e E + dE. Uma vez que há uma correspondência de um-para-uma entre E e k, ρcorantes (E) dE = ρ (k) dk (2)

Portanto,

ρρ( E) = Libras (Libras) Vezes de Volta Atrás de Libras (3)

Agora, a energia, E no do elétron na banda de condução correspondente a um impulso, k, pode ser escrita como, E = Emeia + Melhores Bandas de Meia Coisa de meia
Libras (4)

onde mc é a massa efetiva do elétron na banda de condução, Ec é a energia mais baixa da banda de condução.
A partir de Eqn (3), a coisa que se pode mais longe
= Largura de pessoas que se tem em volta (5)

Por isso, a densidade de estados na banda de condução pode ser obtida substituindo Eqn (5) e Eqn (1) em Eqn (2) como, ρρ( E) = maquininha de melhor maquinário de Melhores Bandas de Melhores Olhos
=. de Largura Superior a Largura de Largura k (6)

Uma vez que o Estado corresponde a isso na banda de condução, substituindo por k de Eqn (4) em Eqn (6),

ρsuperfície (E) = Vezes Superior Vazio de Largura de Largura (E − Olhos) Largura de Olhos Largura de Largura = (Olhos Olhos) Largura de Olhos Olhos de Largura Largura de Largura (E − Olhos); E ≥ Ecoes

(7) Da mesma forma, a densidade de estados na banda de valência, ρρα (E) pode ser derivada como,

ρρ( E) = (Olhos Próximos) Vezes de Olhos Olhos de Largura Largura de Largura (Evezes − E); E ≤ Edito (8)

onde Emenor representa o nível de energia mais alto da banda de valência.

NPTEL-Tecnologia de Comunicação Óptica Fiber-Palestra 10 Página 7 Para encontrar a densidade conjunta dos estados:
Para alcançar a emissão, não basta ter densidade de estados nas bandas de valência e condução, deve haver uma "densidade conjunta de estados", em ambas as bandas, que podem ser derivadas da seguinte forma. Intuitivamente, a densidade conjunta dos estados significaria a presença de estados na banda de valência correspondente a momentum k, e os estados correspondentes para os furos na banda de condução para o mesmo impulso k.
Considere uma transição entre um nível de energia E2 na banda de condução para E1 na valência que a banda é mostrada no diagrama.
Emenos = Enodo + Largura de Largura de Olhos Olhos de Largura (10)

Emenos = Enodas − Largura de Olhos Olhos de Largura de Largura (11)

Eolhos − Eolhos = Eforma − Eolhos + Olhos + Largura de Olho Vazio de Olhos + Largura de Largura de Olhos Olhos de olho
= Egoi+ + Largura de Olhos Olhos de Largura (12)

onde a Medida que se
+ Antes Disso
= coisa que nos diz.

Desde que Eforma − Eno= hin, substituindo em Eqn (9), k olhos = galinhas hon − Edito de Olhos Olhos a Largura de Largura (13)

Agora, a densidade conjunta dos estados, ρ (/) d/, é definida como o número de estados por volume unitário com energias entre as células de Quantidade e de suas células que podem interagir com os fótons, satisfazendo as condições de conservação de energia e momentum. Uma vez que cada frequência corresponde a um estado de energia único, ρ (/) d/ = ρ (Emenor) dEmelhor, ρ (/) = ρ (Emenor) = ρ (Emenor) fontes de Menor Quantidade (14) Substituto de Eqn (7), (8) e (10), a densidade conjunta de estados para transição envolvendo um fóton de energia vegetais é, ρ (/) = ρ (Emenos) meia volta a meia
= (Galinhas Galinhas) Galinhas Galinhas Galinhas-Galinhas de Galinhas-Galinhas-Galinhas − Olhos Olhos (15)

Probabilidade De Ocupação:
Além de ter uma densidade conjunta diferente de zero de estados, também é importante que haja uma probabilidade não nula para que um elétron ocupe um estado de energia E2 na banda de condução e furo no estado correspondente, E1 na banda de valência. As probabilidades de ocupação são decididas pelas estatísticas de Fermi como os elétrons são férmions. De acordo com estatísticas de Fermi, a probabilidade de ocupação de um elétron no estado energético E é dada por esta função

NPTEL-Tecnologia de Comunicação Óptica Fibra Óptica-Palestra 10 Página 8 f (E) = Vezes Melhor Coisa de Coisa Muita Coisa de Olhos Olhos em que o Ef é a energia Fermi. A energia Fermi é a energia para a qual essa probabilidade de ocupação is1 2 se encontra. Agora, a probabilidade de emissão pode ser calculada como a probabilidade de ocupação conjunta, pe de um elétron na banda de condução com o estado de energia E2 e a da ausência de um elétron na banda de valência com energia E1.

pacol= f (Emenos) (1 − f (Emenos) = Vezes Superior Vazio de Olho Vazio de Olho Vazio de Olho Vazio ቎1 − Olho Vazio de Olho Vazio de olho no Olho Vazio de Olho Vazio de olho no Olho Vazio de olho no Olho Vazio de Olho Vazio de Vezes Olho Vazio Olho vazio Olho vazio Olho vazio (16)

onde Efv e Efc representam os níveis de energia quasi-Fermi, sob quasi-equilíbrio. At equilíbrio térmico Efv = Efc = Ef, e daí, pinha = e melhor coisa de melhor coisa Coisa de olho

A taxa de emissão espontânea é, assim, proporcional ao produto da densidade conjunta dos estados e da probabilidade de ocupação, sendo dada como,

rinha-se de olho em massa (Galinhas Galinhas) Galinhas Galinhas de olho em Galinhas-Galinhas-Galinhas de Galinhas-Olhos E Galinhas de Olho Roledo = Rota-se-Atropelar-Se-Galinhas-do-Ar-se-
Ar
Lugar de vez em que o Lugar Não Tem Mais O Que É O Lugar Disso
Ar
Libras (17)

onde Raí é uma constante.
Equação (17) descreve o comportamento espectral de emissão a partir de uma fonte semicondutora.
A probabilidade de ocupação diminui à medida que a energia (E) aumenta conforme dado por esta expressão.
Quando a energia E=hv é menor que a Eg, o fóton de energia E não pode ser gerado como apenas o valor positivo da quantidade sob a raiz quadrada no Eqn 17 pode ser considerado.

Tecnologia de Comunicação NPTEL-Fibra Optic-Palestra 10 Página 9 Deixe-nos traçar a taxa de emissão espontânea versus frequência. Então, teremos emissão apenas quando h/> Eg. Para valores de frequência upto Eg / h = ν0, não há emissão porque a taxa de emissão espontânea é igual a zero neste caso. Como a frequência (/) aumenta, o aumento (hν − Evezes) começa a aumentar mas o termo exponencial diminui. Assim, à medida que a frequência aumenta, a taxa de emissão espontânea aumenta porque a densidade de probabilidade conjunta aumenta, mas então começa a diminuir porque a probabilidade de ocupação começa a diminuir. Assim, o espectro da taxa de picos de emissão espontânea atinge uma certa frequência, e diminui para frequências maiores.
Agora, o pico pode ser facilmente derivado ao maximizar o Eqn (17). Note-se que, a forma do espectro não pode ser descrita como um Gaussiano, mas muda com a temperatura. Podemos também encontrar a largura total a meio máximo da função representada por Eqn (17), e o fato surpreendente é que essa largura total à metade máxima é de 11 THz (à temperatura ambiente), independentemente do material utilizado. Só depende da temperatura.

Agora, essa faixa de frequência do FWHM pode ser convertida em comprimento de onda em nm. O seguinte pode ser usado para esta conversão.
c=νλ, λ=c//, | ∆λ| = (c/ν2) | ∆ν |.

A energia gerada por LED

Tecnologia de Comunicação NPTEL-Fibra Optic-Palestra 10 Página 10 A próxima coisa é estimar a energia óptica gerada pelo LED. Se eu for a corrente injetada, a taxa de injeção seria I/q, onde q é a carga de um elétron. O poder (P) gerado pelo LED pode ser escrito como hv taxa de mortalidade da geração de fótons.
Agora, a taxa de geração de fótons é a taxa de recombinação radiativa. A potência é expressa como, P = h/taxa de hv taxa de radiativa combinations=h/ ponto de injunção × (I/q) A taxa de geração de recombinação radiativa está assim relacionada com a eficiência quântica interna (sugestão). Observe que, um enredo de intensidade de luz (proporcional ao poder) vs corrente é referido como a curva "L-I" e a potência versus corrente é referida como a curva "P-I" da fonte semicondutora. A curva LI/PI caracteriza uma dada fonte de semicondutores.
A partir da expressão, a curva LI/PI seria uma linha reta com uma inclinação dada por (h/ Sugestão de H/p) /q.
Quando a corrente é zero, o poder óptico é zero então é uma linha que passa pela origem.
À medida que a corrente aumenta, o poder óptico gerou aumentos, mas além de uma determinada corrente, o poder não aumenta. À medida que a corrente continua aumentando, todos os dopantes estão esgotados até uma determinada corrente e pode não haver transportadoras suficientes para se submeter à recombinação. Então, depois de um valor muito grande de valores atuais de energia saturam. Geralmente, os LEDs não são operados nesta condição de saturação.
Agora, essa curva LI é importante porque distingue um diodo laser de um LED. Suponhamos, um dispositivo de dois pinos é dado e você é solicitado a descobrir se ele é um LED ou um diodo laser. O único teste conclusivo é, na verdade, a curva LI. A curva LI para diodos laser mostrará o comportamento limiar