O documento descreve a história e os princípios dos lasers semicondutores, incluindo seu desenvolvimento inicial na década de 1960 e as diferenças em relação aos lasers ópticos tradicionais. Também discute os tipos de lasers semicondutores como VCSEL, lasers de cascata quântica e lasers de ponto quântico, além de suas aplicações em áreas como comunicações por fibra óptica e armazenamento óptico de dados.

1. Laser semicondutor

2. Contexto histórico; Princípios de estado sólido Montagem de um laser semicondutor Parâmetros laser; Tipos de laser; Benefícios na utilização de laser semicondutor; Problemas e correções; Aplicações; Estatística comercial; Índice

3. 1957-1961- Idéias acerca da obtenção de emissão estimulada em semicondutores, com teorias não totalmente fundamentadas, surgem em várias partes do mundo; 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). Trinta dias após, três outros laboratórios nos EUA, independentemente, demonstraram suas próprias versões de lasers semicondutores (todos usando junções GaAs): Dr. Nick Holonyak, no General Electric’s 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 análise teórica decisiva acerca da obtenção da inversão de população em lasers semicondutores. Contexto histórico

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. Dopagem :Adição de impurezas químicas elementares em elemento químico semicondutor puro com a finalidade de dotá-los de propriedades de semicondução controlada específica. 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 condução, afetar a distribuição de Fermi e a condutividade do material.

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. Diferenças básicas entre lasers de semicondutor e lasers ópticos tradicionais: Semicondutores Lasers tradicionais Ocupação dos níveis de energia descrita por uma função-distribuição Fermi-Dirac; Ocupação dos níveis de energia descrita por uma função-distribuição De Boltzmann; A característica espacial da onda eletromagnética gerada depende do meio de junção. A característica espacial da onda eletromagnética gerada depende de características do ressonador óptico.

8. Montagem de um laser semicondutor

9. Parâmetros laser Bombeamento: Corrente elétrica ou bombardeamento via elétrons energéticos; Ganho: corrente de Threshold: Coeficiente de Absorção: Potência de saída da cavidade

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. Vertical Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSEL) Feixe vertical; A divergência do feixe é inversamente proporcional ao tamanho do feixe na fonte (quanto menor a fonte, maior a divergência) A cavidade é ao longo da direção vertical, com um comprimento muito curto, tipicamente 1-3 comprimentos de onda da luz emitida. A refletividade requerida para baixas correntes de threshold é maior que 99.9% (usam-se para isso refletores de Bragg distribuidos) DBR’s são formados deitando-se camadas alternadas de material semicondutor ou dielétrico com índices de refração diferentes. Graças as camadas das DBR, pode-se apresentar problema de superaquecimento. Tipos de Laser de semicondutor

12. Vantagens dos VCSEL em relação aos lasers de diodo comuns: O VCSEL é mais barato de se manufaturar em quantidade; fácil de se testar on wafer. Mais eficiente O VCSEL necessita menos corrente elétrica para produzir um dado feixe coerente de saída Emitem feixes mais circulares que os de diodo normais; Comprimento de onda é “sintonizável” Eficiência e velocidade de transferência de informações em comunicações por fibras ópticas.

13. Lasers de cascata quântica Quando uma corrente elétrica flui através de um laser de cascata quântica, a “cascata” libera fótons a cada queda. 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. 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. 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.

14. Benefícios dos QC Lasers 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. Simplesmente mudando a espessura da camada semicondutora, o comprimento de onda do laser pode ser alterado.

15. Quantum Dot Lasers Estruturas de confinamento tridimensional quântico, quantum dots, providenciam uma função delta de densidade de estados. Aplicação em campos tais como comunicações por fibras ópticas e fonte de bombeamento. Os níveis discretos de energia em quantum dots possibilitam uma aplicação única:Controle de chaveamento de comprimento de onda. Caracterísitcas principais: baixa corrente de threshold a temperatura ambiente Grande ganho diferencial Alta potência de saída Amplo espectro sintonizável Corrente de Threshold menos sensível a temperatura que os lasers QC.

16. Porque usar lasers semicondutores Lasers semicondutores tem baixo custo de manufatura que lasers de estado sólido ou a gás por causa do menor número de subcomponentes; Lasers semicondutores tem menores falhas mecânicas graças também ao menor número de componetes; 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; Baixo fator de forma, baixo custo, alta eficiência e ampla range de comprimento de onda. Bombeamento é operado por corrente, sendo sua intensidade facilmente alterada através disso. Em fibras ópticas, produz potência óptica suficiente para contrabalançar 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;

18. Problemas com o laser de semicondutor

21. Laser semicondutor

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.

24. Estatísticas comerciais

27. Referências Yariv, 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. Zílio, “Óptica Moderna”, IFSC-USP (2007); www.wikipedia.com.br www.google.com.br