1

Optoelektronika, fotonika,..(część 1)

Stare i nowe materiały a światło.

Zagadnienia

• Podstawowe wielkości opisujące światło;• Podstawowe wielkości opisujące

oddziaływanie materiałów ze światłem;• Niektóre zjawiska (rozpraszanie,

luminescencja, fluorescencja);• Niektóre zastosowania, a w szczególności

lasery i światłowody;

2

Natura światła• Światło jest falą elektromagnetyczną

• Rozchodzącą się w powietrzu z prędkościąc = 1/√(ε0µ0) = 3 x 108 m/s

Emisja i absorbcja światła

• Oba zjawiska wynikają z tych samych praw fizyki:

3

Absorpcja światła polega pochłonięciu fotonu i wzbudzeniu wskutek tego np. elektronu do wyższego stanu energetycznego.

Pierwsza zasada termodynamiki

Emisja światła następuje gdy np. elektron będący w stanie wzbudzonym powraca do stanu podstawowego.

Pierwsza zasada termodynamiki

Ground state

First excited state

2nd3d

4

Jak dany materiał absorbuje i emituje światło, czy..

• ...nadaje się jako ośrodek, w którym zachodzi akcja laserowa,

• ...nadaje się jako materiał, z którego wytwarza się światłowody,

• ...można go wykorzystać jako zwierciadło,• Itd., itd.

Zależy wyłącznie od tego jak (wiązania) i z czego (atomy) zbudowany jest materiał.

Właściwości optyczne materiału opisuje się za

pomocą:Współczynnika absorpcji, załamania

i odbicia.Wielkości te są od siebie wzajemnie

zależne!

5

Współczynnik absorpcji

Czasem potrzebny jest duży, czasem mały.

Ogólny opis absorpcji

I0 = IT + IA + IR

gdzie Io jest natężeniem (W/m2) światła padającego, indeksy T, A i R odpowiadają odpowiednio światłu przechodzącemu, zaabsorbowanemu i odbitemu

6

• Jeśli materiał nie jest przezroczysty, to natężenie przechodzącego światła maleje esponencjalnie z odległością

I = I0 exp(–αx)

Gdzie α jest współczynnikiem absorpcji.

Ogólny opis absorpcji

Mechanizmy absorpcji

• Foton może zostać pochłonięty przez elektron:

przejście między stanami energetycznymi w atomie, między pasmami energetycznymi w ciele stałym,absorpcja przez elektron quasiswobodny w metalu,

7

Przykład: metale

Zapełnione stany

Puste stany T = 0K

EF

Elektrony w metalu mogą absorbować promieniowanie o praktycznie każdej częstotliwości. Elektron absorbuje foton, a następnie wraca do stanu podstawowego emitując

identyczny foton → metale prawie idealnie odbijająświatło (95%).Metale stają się przezroczyste dopiero przy bardzo wysokich częstotliwościach.

Przykład: półprzewodniki i dielektryki kowalencyjne

• Bardzo ważny mechanizm absorpcji: przejścia międzypasmowe

EC

EV

EG

dziura

8

• Przykłady widm absorpcji dla różnych półprzewodników:

0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8Wavelength (µm)

In0.53Ga0.47As

Ge

Si

In0.7Ga0.3As0.64P0.36

InPGaAs

a-Si:H

123450.9 0.8 0.7

103

104

105

106

107

108

Photon energy (eV)

1.0

α ( m- 1

)

Fig. 9.19: Absorption coefficient (α) vs. wavelength (λ) forvarious semiconductors (Data selectively collected and combinedfrom various sources.)From Principles of Electronic Materials and Devices, S econd Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2002)http://Materials.Usask.Ca

• W przypadku półprzewodników domieszkowanych sytuacja jest bardziej skomplikowana:

EC

EV

fononhf1

hf2

9

Mechanizmy absorpcji

• Foton może zostać pochłonięty przez atom jako całość:

wzbudzenie drgań atomów (fonony),jakikolwiek ruch atomu lub cząsteczki.

Przykład: kryształy jonowe

• Materiały o wiązaniu jonowym silnie oddziałują z polem elektrycznym promieniowania elektromagnetycznego, ponieważ jony o przeciwnym znaku przemieszczają się w przeciwnych kierunkach → silna absorpcja w podczerwieni.

10

Przykład: kryształy molekularne

• Molekuły są słabo ze sobą związane, zatem absorpcja wynika głównie z budowy samych cząsteczek

• Np. woda:

• Widmo absorpcji wody

http://www.sbu.ac.uk/water/images/watopt.jpg

11

Współczynnik załamania

Niezmiernie ważna właściwość materiału, np. dla takich zastosowań

jak:Soczewki,

Światłowody, lasery

Współczynnik załamania

gdzie µ (= µrµ0) i µ0 są odpowiednio magnetyczną przenikalnością ośrodka i próżni, a ε (= εrε0) i ε0są odpowiednio dielektryczną przenikalnością ośrodka i próżniWynika stąd, że n = √(µrεr) (≈ √εr w większości materiałów)

00

1 i 1µεεµ

== cv

vcn =

12

• Widać zatem, że współczynnik załamania światła wynika z własności dielektrycznych materiału. Np. dodatek ciężkiego ołowiu do szkła powoduje zwiększenie współczynnika załamania:

szkło: n ~ 1.5szkło z ołowiem: n ~ 2.1 Dodaniu germanu zamiast krzemu do szkła światłowodowego zwiększa współczynnik załamania światła (German ma o 18 elektronów więcej niż Si).

Współczynnik załamania

Rozpraszanie światła

Nawet jeśli światło rozchodzi się w danym materiale, to i tak może być rozpraszane wewnątrz niego. W ten

sposób niesiona przez światło informacja może zaniknąć.

13

Rozpraszanie światła

• Światło może być rozpraszane przez:Granice międzyziarnowe w materiałach polikrystalicznych;Pory w ceramikach;Inne fazy;Małe, przypadkowo rozłożone różnice współczynnika załamania spowodowane np. zmianą gęstości, struktury lub składu, drganiami cieplnymi atomów (rozpraszanie Rayleigha).

Rozpraszanie Rayleigha

• Rozpraszanie światła na przeszkodach mniejszych niż długość fali.

Scattered waves

Incident wave Through wave

A dielectric particle smaller than wavelength

14

Scattered waves

Incident wave Through wave

A dielectric particle smaller than wavelength

Światło padając na małą cząstkę dielektryka pobudza ja do drgań, co z kolei, powoduje emisję promieniowania elektromagnetycznego we wszystkich kierunkach. Tzn. część energii fali padającej jest rozpraszana w kierunkach różnych niż fala padająca.

Na marginesie:

• Rozpraszanie Rayleigha jest przyczyną, dlaczego niebo jest niebieskie

rozpraszanie jest proporcjonalne do λ-4

ponieważ λczerw ~ 2λnieb niebieskie światło jest około~16 razy silniej rozpraszanie niż niebieskie

• Zjawisko to ma bardzo duże znaczenie w technologii światłowodowej (szkło jest bardzo czyste i przezroczyste, dlatego tak subtelne efekty mają znaczenie).

15

Luminescencja, fluorescencja, fosforescencja

Luminescencja

• Luminescencja :emisja w postaci światła uprzednio zaabsorbowanej energii.

• W zależności od przyczyny świecenia może być foto- , elektro-, lub chemo-luminescencja,

Foto- spowodowana oświetleniem Elektro- polem elektrycznym (LED)Reakcją chemiczną.

16

• Luminescencję można dalej podzielić na fluoro-(szybka: 10-5 – 10-6s) i fosforescencję (wolna: 10-4 –101s), np.:

E2

E1

E3

phosp.

phosp.

fluor.

incident

flip

flip

phonon emission~10-12s per hop

fluorescence, ~10-5s

• W lampach fluorescencyjnych plazma generuje światło uv, a fluoryzujący materiał pokrywający ściany rury przetwarza je na światło widzialne.

• Aby wytwarzane światło było białe trzeba używać mieszaniny różnych fluorescencyjnych materiałów, każdy fluoryzujący w innej długości fali.

• Np. materiały najczęściej stosowane w kineskopach:

ZnS domieszkowany Cu+ daje światło zieloneZnS:Ag - niebieskieYVO4:Eu - czerwone

17

Laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

jeden z najpożyteczniejszych wynalazków XX wieku

Światło laserowe jest:

• Monochromatyczne• Koherentne• Kierunkowe• O dużej intensywności

Działanie lasera

1. Materiał czynny lasera w stanie podstawowym

2. „pompowanie” w celu wzbudzenia atomów materiału lasera do stanu wzbudzonego (np. Za pomocą intensywnego impulsu światła).

18

Działanie lasera

3, 4. Osiągnięcie inwersji obsadzeń, emisja spontaniczna, początek emisji wymuszonej. Wciąż jeszcze za mało fotonów, aby w całym ośrodku wymusić emisję.

http

://w

ww

.repa

irfaq

.org

/sam

/lase

rop.

gif

Działanie lasera

5. Pełna emisja wymuszona

19

http://kottan-labs.bgsu.edu/teaching/workshop2001/chapter4a_files/image022.gif

Laser rubinowy

Rodzaje laserów

20

holografia

holografia

21

Światłowody i zaawansowane materiały w technologii

światłowodowej

ŚwiatłowodyDawniej w technologii światłowodowej wykorzystywano światło widzialne. Obecnie: podczerwień.

22

Bezpośredniewyciąganie włókien

Wyciąganie włóknaz preformy

Wytwarzanie światłowodów

Bezpośrednie wyciąganie włókien

• Metodapodwójnego tygla

Stopione szkło na rdzeń w tyglu wewnętrznymSzkło na płaszcz: w tyglu zewnętrznymWłókno wyciąga się przez otwory w dnach tygli

23

Bezpośrednie wyciąganie włókien

• Metoda: pręt w rurceCałość jest ogrzewana; oba szkła miękną i łączą się ze sobą w trakcie wyciągania włókna.Oba szkła powinny mieć zbliżone temperatury mięknięcia.

Wytwarzanie światłowodów z preformy

24

Preforma

Preformy wytwarza się stosując różne metody osadzania, domieszkowania itp. z fazy gazowej. Wykorzystuje się reakcje:

1. SiCl1. SiCl44 + O+ O22 →SiO→SiO22 + 2Cl+ 2Cl22. GeCl2. GeCl4 + O+ O2 → GeO→ GeO2 + 2Cl+ 2Cl2

3. 4POCl3. 4POCl3 + 3O+ 3O2 → 2P→ 2P2OO5 + 6Cl+ 6Cl2

4. 4BCl4. 4BCl3 + 3O+ 3O2 → 2B→ 2B22OO3 + 6Cl+ 6Cl2

MVCD, PMVCD

SiCl4 + O2→SiO2 + 2Cl2

SiO2 w postaci bardzo drobnych cząstek osiada na chłodnych ściankach. Cząstki łączą się ze sobą tworząc amorficzną warstwę.

Skład gazu jest w sposób ciągły zmieniany, tak że współczynnik załamania światła również odpowiednio się zmienia.

Gdy proces nanoszenia się kończy, temperatura pieca rośnie do 1800oC i rurka stapia się w litą preformę.

(M=modified)

25

PVCD

• W rurce powstaje plazma ułatwiająca zajście reakcji. Szkło powstające wewnątrz jest od razu w postaci jednolitego materiału.

Domieszkowanie z zewnątrz

• Pary chlorków podlegają reakcji hydrolizy w piecu. SiO2osadza się w materiale porowatej preformy od zewnątrz.

• Następnie preformę stapia się w wysokiej temperaturze (przy okazji ucieka z niej woda).

26

Wyciąganie włókna

• Preformy o średnicy rzędu cm i długości kilku cm rozciąga się tak, że ich średnica wynosi125 µm

• Wyciąganie przebiega w temperaturze 2200 °C

Inne elementy światłowodowe

27

Co to jest FBG: periodyczne zaburzenie współczynnika załamania światła rdzenia jednomodowego światłowodu.

FIBER BRAGG GRATINGS

Gdy światło pada na taka siatkęBragga, tylko bardzo wąski zakres długości fali odbija się od siatki (~0.2 nm). Pozostale– przechodzą.

Selektywne zwierciadło

FIBER BRAGG GRATINGS

28

Wytwarzanie FBG• Mechanizm

Różnica współczynnika załamania wynosi tylko 10-4

Wykorzystuje się fakt, że włókno krzemianowe domieszkowane Ge jest fotoczułe.Pod wpływem silnego swiatła zrywane sa wiazania Ge-Ge

Np. dwie siatki Bragga tworzą rezonator optyczny w pewnym obszarze światłowodu.

Do czego mogą służyć FBG

29

Wzmacniacze optyczne

• Po co są potrzebne?Światło, rozchodząc się w ośrodku ulega tłumieniu.Informacja zawarta w sygnale może zaniknąć.

Straty

• Źródła strat energii:

30

Straty

• Najniższe do tej pory uzyskane straty w światłowodzie szklanym:

0,2 dB/km (λ=1500 nm)Połączenia między światłowodami: 0,1-0,3 dB/km

Wzmacniacze optyczne

http://www.cs.wright.edu/~bwang/course/ceg790/note2.pdf

31

Wzmacniacz wykorzystujący domieszkowanie erbem

• Rdzeń światłowodu krzemianowo-germanowego jest domieszkowany erbem(albo neodymem). Ważnym czynnikiem jest to, że można osiągnąć dosyć duży stopień domieszkowania (do 1000 ppm).

Energy of the Er3+ ionin the glass fiber

E10

1.54 eV1.27 eV

0.80 eV E2

E3

E′3

1550 nm 1550 nm

InOut

980 nm

Non-radiative decay

Pump

Energy diagram for the Er3+ ion in the glass fiber medium and light amplificationby stimulated emission from E2 to E1. Dashed arrows indicate radiationlesstransitions (energy emission by lattice vibrations)

© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

Działanie EFDA: dokładniej

32

Signal in Signal outSplice

Er3+-dopedfiber (10 - 20 m)

Wavelength-selective coupler

Pump laser diode

Splice

λ = 1550 nm λ = 1550 nm

λ = 980 nmTermination

Opticalisolator

Opticalisolator

A simplified schematic illustration of an EDFA (optical amplifier). Theerbium-ion doped fiber is pumped by feeding the light from a laser pumpdiode, through a coupler, into the erbium ion doped fiber.

© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

Światłowody krzemowe?

• Dzisiejsze urządzenia fotonicznewykorzystują drogie związki półprzewodnikowe takie jak GaAs, GaP. Z drugiej strony, w telekomunikacji wykorzystuje się światło o długości fali 1.3 – 1.6 µm. Dla takiego światła krzem jest praktycznie przezroczysty.

33

Światłowody krzemowe?

• Zatem, potrzeba tańszych urządzeń spowodowała rozwój „fotonikikrzemowej”. W szczególności:

wzmacniacze i generatory światła;modulatory światła;

Laser Ramana

• Rozpraszanie Ramana:Światło o długości fali λ1wzbudza drgania atomów materiału (fonony) oraz emisję światła o długości fali λ2.

34

Laser Ramana

• Wymuszone rozpraszanie Ramana:Normalnie, intensywność promieniowania rozproszonego (λ2) jest znacznie mniejsza niż intensywność promieniowania padającego. Jeżeli światło padające jest wystarczająco intensywne, a materiał umieszczony jest we wnęce rezonansowej, wówczas może nastąpić wzmocnienie (wzmocnienie Ramana) oraz akcja laserowa.

Laser Ramana

• Wymuszone rozpraszanie Ramana:Największe wzmocnienie następuje, gdy różnica długości fali promieniowania pompującego i emitowanego wynosi:

35

Laser Ramana

• Technologia SOI (silicon on insulator). Przekrój poprzeczny warstwy Si ma około 1.6 µm2, a długość 4.8 cm. Cienka warstwa krystalicznego krzemu (n=3.6) jest osadzona na warstwie SiO2 (n=1.5). Dzięki tak dużej różnicy współczynników załamania, światło może być bardzo skutecznie ograniczone w przestrzeni. Stąd wynika duże wzmocnienie Ramana.

Laser Ramana

Przednia i tylna ścianki falowodu są pokryte warstwą o dużym współczynniku odbicia dla wiązek: pompującej i wychodzącej. Światło pompujące ma 1540 nm, wychodzące: 1650 nm. Możliwa jest praca ciągła lasera. Pierwsze doniesienie o krzemowym laserze Ramana: luty 2005.

36

Laser Ramana

OE 2004 paper

Pulsed operationCW operation H. Rong et al., Nature 2005

Modulatory światła

• Pierwszy krzemowy GHz-owy modulatorModulatory optyczne wykorzystuje się do kodowania i dekodowania danych poprzez odpowiednie włączanie i wyłączanie wiązki światła (zera i jedynki). Do 2004 roku krzemowe modulatory działały powoli (20 MHz). Obecnie: GHz.

37

polimerowa warstwaochronna

Dzisiejsze światłowody

krzemianowa warstwa ewnętrzna o niższym n

n ~ 1.45

bardziej skomplikowane profile

rdzeń o wyższym nn ~ 1.46

straty ~ 0.2 dB/kmdla λ=1.55µm

(wzmacniacz co50–100km)

granice możliwoś

[ R. Ramaswami & K. N. Sivarajan, Optical Networks: A Practical Perspective ]

Przezroczystość szkła stosowanego do wytwarzania światłowodów ma podstawowe znacznie. Obecnie, jakość szkła jest taka, że 10km włókna absorbuje światło mniej więcej tak samo jak 25mm zwykłej szyby okiennej!W tak czystym szkle, rozpraszanie Rayleigha jest głównym mechanizmem rozpraszania światła

.

0.05

.1

0.51.0

5

10

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

Latticeabsorption

Rayleighscattering

Wavelength (µm)

OH-absorption peaks

1310 nm

1550 nm

i

-

water

38

Lepszym materiałem od obecnego szkła światłowodowego jest ...

powietrze1000x mniejsze

straty i nieliniowość

Photonic Crystal

Literatura

• P.E. Bagnoli et al., Dipartimento di Fisica „Enrico Fermi”, Universita di Pisa.

• S.G. Johnson, Applied Mathematics, MIT.• Ertan Salik, OAO Corporation.• Andrea Macella, Università degli Studi di Lecce