Laser semicondutor
<ul><li>Contexto histórico; </li></ul><ul><li>Princípios de estado sólido </li></ul><ul><li>Montagem de um laser semicondu...
<ul><li>1957-1961-  Idéias acerca da obtenção de emissão estimulada em semicondutores, com teorias não totalmente fundamen...
Conceitos de estado sólido Semicondutor : Um material que se comporta como condutor ou isolante dependendo da temperatura ...
Dopagem :Adição de impurezas químicas elementares em elemento químico semicondutor puro  com a finalidade de dotá-los de p...
Junções P-N Quando juntamos um material P com um N, geramos uma difusão entre essas regiões. O potencial da junção está re...
Diferenças básicas entre lasers de semicondutor e lasers ópticos tradicionais: Semicondutores Lasers tradicionais <ul><li>...
Montagem de um laser semicondutor
Parâmetros laser <ul><li>Bombeamento: Corrente elétrica ou bombardeamento via elétrons energéticos; </li></ul><ul><li>Ganh...
Equações de taxa Onde:  n(x,y,z) é a densidade de elétrons; J(x,y,t) é a densidade injeção de corrente; E é a carga do elé...
Vertical Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSEL) <ul><li>Feixe vertical; </li></ul><ul><li>A divergência do feixe é inversa...
Vantagens dos VCSEL em relação aos lasers de diodo comuns: <ul><li>O VCSEL é mais barato de se manufaturar em quantidade; ...
Lasers de cascata quântica  <ul><li>Quando uma corrente elétrica flui através de um laser de cascata quântica, a “cascata”...
Benefícios dos  QC Lasers <ul><li>Tipicamente de 25 a 75 poços ativos estão arranjados em um laser QC, cada um com um níve...
Quantum Dot Lasers <ul><li>Estruturas de confinamento tridimensional quântico, quantum dots, providenciam uma função delta...
Porque usar lasers semicondutores <ul><li>Lasers semicondutores tem baixo custo de manufatura que lasers de estado sólido ...
 
Problemas com o laser de semicondutor
 
 
Laser semicondutor
 
Aplicações 405 nm  -  InGaN  laser azul-violeta , em  Blu -ray Disc  e drives de  HD/ DVD   635 nm  - lasers pointer 650 n...
Estatísticas comerciais
 
 
Referências <ul><li>Yariv, Amnon, “Quantum Electronics”, John Wiley and Sons, New York (1967); </li></ul><ul><li>Kressel, ...
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Laser semicondutor (bruno)

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  • O mais importante e que não está escrito é o comprimento de coerência. O comprimento de coerência do laser de diodo é muito menor que o comprimento de coerência do laser de He-Ne.
  • Laser semicondutor (bruno)

    1. 1. Laser semicondutor
    2. 2. <ul><li>Contexto histórico; </li></ul><ul><li>Princípios de estado sólido </li></ul><ul><li>Montagem de um laser semicondutor </li></ul><ul><li>Parâmetros laser; </li></ul><ul><li>Tipos de laser; </li></ul><ul><li>Benefícios na utilização de laser semicondutor; </li></ul><ul><li>Problemas e correções; </li></ul><ul><li>Aplicações; </li></ul><ul><li>Estatística comercial; </li></ul>Índice
    3. 3. <ul><li>1957-1961- Idéias acerca da obtenção de emissão estimulada em semicondutores, com teorias não totalmente fundamentadas, surgem em várias partes do mundo; </li></ul><ul><li>1962- Dr. Gunther Fenner, membro do time encabeçado pelo Dr. Robert N.Hall no General Electric Research Development Center em Schenectady, New York, operou o primeiro Laser de semicondutor (usando junção GaAs). </li></ul><ul><li>Trinta dias após, três outros laboratórios nos EUA, independentemente, demonstraram suas próprias versões de lasers semicondutores (todos usando junções GaAs): </li></ul><ul><ul><li>Dr. Nick Holonyak, no General Electric’s Syracuse, New York; </li></ul></ul><ul><ul><li>Dr. Marshall I. Nathan no IBM Research Laboratory, Yorktown Heights, New York; </li></ul></ul><ul><ul><li>Dr. Robert Rediker no MIT Lincoln Laboratory, Lexington Massachusetts. </li></ul></ul><ul><li>W.P.Dumke, da IBM, faz a análise teórica decisiva acerca da obtenção da inversão de população em lasers semicondutores. </li></ul>Contexto histórico
    4. 4. Conceitos de estado sólido Semicondutor : Um material que se comporta como condutor ou isolante dependendo da temperatura a que está sujeito. Apresentam energia de Gap muito pequena ( ~1eV). Banda de Valência:É a última banda de energia ocupada por elétrons. Leva este nome pois é este orbital atômico que define a valência do elemento químico. Banda de condução:É o próximo nível energético permitido, acima da banda de valência. Nesta região os elétrons são considerados elétrons livres , podendo, portanto, se movimentar no material formando a corrente elétrica.
    5. 5. Dopagem :Adição de impurezas químicas elementares em elemento químico semicondutor puro com a finalidade de dotá-los de propriedades de semicondução controlada específica. <ul><li>Semicondutor do tipo P = Apresenta excesso de cargas “positivas” (interpreta-se um buraco como uma carga positiva). </li></ul><ul><li>Semicondutor tipo N = Excesso de cargas negativas. </li></ul>A dopagem pode :Afetar estrutura de bandas, introduzir estados permitidos na banda de condução, afetar a distribuição de Fermi e a condutividade do material.
    6. 6. Junções P-N Quando juntamos um material P com um N, geramos uma difusão entre essas regiões. O potencial da junção está relacionado a quantidade de cargas acumuladas através de: p= lacunas, n = Elétrons livres, N d += Átomos doadores ionizados N a -= Átomos aceitadores ionizados
    7. 7. Diferenças básicas entre lasers de semicondutor e lasers ópticos tradicionais: Semicondutores Lasers tradicionais <ul><li>Ocupação dos níveis de energia descrita por uma função-distribuição Fermi-Dirac; </li></ul><ul><li>Ocupação dos níveis de energia descrita por uma função-distribuição De Boltzmann; </li></ul><ul><li>A característica espacial da onda eletromagnética gerada depende do meio de junção. </li></ul><ul><li>A característica espacial da onda eletromagnética gerada depende de características do ressonador óptico. </li></ul>
    8. 8. Montagem de um laser semicondutor
    9. 9. Parâmetros laser <ul><li>Bombeamento: Corrente elétrica ou bombardeamento via elétrons energéticos; </li></ul><ul><li>Ganho: </li></ul><ul><li>corrente de Threshold: </li></ul><ul><li>Coeficiente de Absorção: </li></ul><ul><li>Potência de saída da cavidade </li></ul>
    10. 10. Equações de taxa Onde: n(x,y,z) é a densidade de elétrons; J(x,y,t) é a densidade injeção de corrente; E é a carga do elétron; S i é o número de fótons no ith modo Φ i (x,y) é a função amplitude normalizada do fóton Г i é o fator de confinamento do fóton r st e r sp são as taxas de emissão estimulada e espontânea. R sp é a taxa de emissão espontânea total; א é a eficiência quântica interna Φ (E i ) é o número de modos por unidade de volume por unidade de energia.
    11. 11. Vertical Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSEL) <ul><li>Feixe vertical; </li></ul><ul><li>A divergência do feixe é inversamente proporcional ao tamanho do feixe na fonte (quanto menor a fonte, maior a divergência) </li></ul><ul><li>A cavidade é ao longo da direção vertical, com um comprimento muito curto, tipicamente 1-3 comprimentos de onda da luz emitida. </li></ul><ul><li>A refletividade requerida para baixas correntes de threshold é maior que 99.9% (usam-se para isso refletores de Bragg distribuidos) </li></ul><ul><li>DBR’s são formados deitando-se camadas alternadas de material semicondutor ou dielétrico com índices de refração diferentes. </li></ul><ul><li>Graças as camadas das DBR, pode-se apresentar problema de superaquecimento. </li></ul>Tipos de Laser de semicondutor
    12. 12. Vantagens dos VCSEL em relação aos lasers de diodo comuns: <ul><li>O VCSEL é mais barato de se manufaturar em quantidade; </li></ul><ul><li>fácil de se testar on wafer. </li></ul><ul><li>Mais eficiente </li></ul><ul><li>O VCSEL necessita menos corrente elétrica para produzir um dado feixe coerente de saída </li></ul><ul><li>Emitem feixes mais circulares que os de diodo normais; </li></ul><ul><li>Comprimento de onda é “sintonizável” </li></ul><ul><li>Eficiência e velocidade de transferência de informações em comunicações por fibras ópticas. </li></ul>
    13. 13. Lasers de cascata quântica <ul><li>Quando uma corrente elétrica flui através de um laser de cascata quântica, a “cascata” libera fótons a cada queda. </li></ul><ul><li>É composto de pedaços de material semicondutor. Dentro dele, elétrons estão vinculados a compostos de gálio e alumínio, chamados de “quantum wells” (poços quânticos), que são da espessura de alguns nanômetros. </li></ul><ul><li>Os elétrons saltam de um nível energético a outro e tunelam de uma camada para a próxima através das barreiras de energia separando os poços. Quando eles saltam, liberam energia. </li></ul><ul><li>Quando o elétron de menor energia deixa o primeiro poço, ele entra em uma região do material que o coleta e envia para o próximo poço. </li></ul>
    14. 14. Benefícios dos QC Lasers <ul><li>Tipicamente de 25 a 75 poços ativos estão arranjados em um laser QC, cada um com um nível de energia um pouco menor que o anterior (efeito cascata), permitindo que de 25 a 75 fótons sejam criados a cada jornada do elétron. </li></ul><ul><li>Simplesmente mudando a espessura da camada semicondutora, o comprimento de onda do laser pode ser alterado. </li></ul>
    15. 15. Quantum Dot Lasers <ul><li>Estruturas de confinamento tridimensional quântico, quantum dots, providenciam uma função delta de densidade de estados. </li></ul><ul><li>Aplicação em campos tais como comunicações por fibras ópticas e fonte de bombeamento. </li></ul><ul><li>Os níveis discretos de energia em quantum dots possibilitam uma aplicação única:Controle de chaveamento de comprimento de onda. </li></ul><ul><li>Caracterísitcas principais: </li></ul><ul><ul><li>baixa corrente de threshold a temperatura ambiente </li></ul></ul><ul><ul><li>Grande ganho diferencial </li></ul></ul><ul><ul><li>Alta potência de saída </li></ul></ul><ul><ul><li>Amplo espectro sintonizável </li></ul></ul><ul><ul><li>Corrente de Threshold menos sensível a temperatura que os lasers QC. </li></ul></ul>
    16. 16. Porque usar lasers semicondutores <ul><li>Lasers semicondutores tem baixo custo de manufatura que lasers de estado sólido ou a gás por causa do menor número de subcomponentes; </li></ul><ul><li>Lasers semicondutores tem menores falhas mecânicas graças também ao menor número de componetes; </li></ul><ul><li>Para o laser de AlGaLnAs foi demonstrado que o mesmo tem uma média de vida de 1.57 10 6 horas (180 anos), trabalhando a uma temperatura de 85ºC; </li></ul><ul><li>Baixo fator de forma, baixo custo, alta eficiência e ampla range de comprimento de onda. </li></ul><ul><li>Bombeamento é operado por corrente, sendo sua intensidade facilmente alterada através disso. </li></ul><ul><li>Em fibras ópticas, produz potência óptica suficiente para contrabalançar </li></ul><ul><li>as perdas intrínsecas da fibra e perdas por emenda,entre outras, e ainda fornecer o suficiente para ofotodectetor recuperar as informações enviadas,principalmente em sistemas de curta distância; </li></ul>
    17. 18. Problemas com o laser de semicondutor
    18. 21. Laser semicondutor
    19. 23. Aplicações 405 nm  -  InGaN  laser azul-violeta , em  Blu -ray Disc  e drives de  HD/ DVD   635 nm  - lasers pointer 650 nm  - Drives de DVD  , laser pointers 670 nm  -   laser pointers baratos; 780 nm  -  Compact Disc  drives 808 nm  - bombeamento em  DPSS   Nd:YAG lasers   980 nm  - Bombeamento para amplificadores ópticos, para  Yb:YAG  DPSS lasers. 1064 nm  - comunicação por fibra óptica; 1310 nm  - Comunicação por fibra óptica; 1480 nm  - Bombeamento de amplificadores ópticos 1550 nm  - Comunicação por fibra óptica; 1625 nm  - Comunicação por fibra óptica.
    20. 24. Estatísticas comerciais
    21. 27. Referências <ul><li>Yariv, Amnon, “Quantum Electronics”, John Wiley and Sons, New York (1967); </li></ul><ul><li>Kressel, H, “Topics in Applied Physics: Semiconductor devices”, Springer-Verlag, New York (1980); </li></ul><ul><li>S. C. Zílio, “Óptica Moderna”, IFSC-USP (2007); </li></ul><ul><li>www.wikipedia.com.br </li></ul><ul><li>www.google.com.br </li></ul>

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