Semiconduttori e sistemi ottici 1/2

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Maria Martina
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1 Reti in fibra ottica 1/25 Semiconduttori e sistemi ottici 1/2 Gran parte dei componenti otticiattivisi basano sulle proprietà deisemiconduttori: Sorgenti ottiche Fotodiodi Switch ottici Modulatori EAM Amplificatori ottici SOA. 2/25

2 Semiconduttori e sistemi ottici 2/2 Nelle prossime slides si introdurranno dunque brevissimirichiamisui principi fisici del funzionamento dei semiconduttori, e della loro interazione con una radiazione elettromagnetica. Gli amplificatori otticiad Erbio, pur non basandosi su materiali semiconduttori, hanno principi di funzionamento simili. 3/25 Livelli energetici In una giunzione PN a semiconduttore, i portatori si posizionano su due diversi livelli energetici. Livello energetico (alto) Banda di conduzione. Livello energetico (basso) Banda di valenza. Per portatori si intendono in generale le coppie elettrone-lacuna. 4/25

3 Emissione spontanea 1/3 conduzione, cioè al livello energetico superione 5/25 Emissione spontanea 1/3 conduzione, cioè al livello energetico superione 6/25

4 Emissione spontanea 1/3 conduzione, cioè al livello energetico superione hν 7/25 Emissione spontanea 1/3 conduzione, cioè al livello energetico superione hν E photon = h f fotone = - 8/25

5 Emissione spontanea 2/3 Nell emissione spontanea, un portatore decade spontaneamente dal livello alto a quello basso. Contemporaneamente, viene generato un fotone con energia - La frequenza del fotone generato è data dalla legge di Planck h f fotone = - Le caratteristiche di fase del fotone generato sono causali. 9/25 Emissione spontanea 3/3 Questo effetto è alla base del funzionamento di: Sorgenti LED Generazione di rumore negli amplif. ottici. 10/25

6 Emissione stimolata 1/3 conduzione + fotone in ingresso 11/25 Emissione stimolata 1/3 conduzione + fotone in ingresso 12/25

7 Emissione stimolata 1/3 conduzione + fotone in ingresso 13/25 Emissione stimolata 1/3 conduzione + fotone in ingresso 14/25

8 Emissione stimolata 2/3 Nell emissione stimolata, un portatore decade dalla banda di conduzione a quella di valenza a causa di interazione con un fotone in ingresso. Contemporaneamente, viene generato un fotone con la stessa frequenza e fase di quello in ingresso. 15/25 Emissione stimolata 3/3 Si usa dire che il nuovo fotone è coerente con quello in ingresso. Questo effetto è alla base del funzionamento di: Laser Amplificatori ottici. 16/25

9 Assorbimento 1/3 valenza + fotone in ingresso 17/25 Assorbimento 1/3 valenza + fotone in ingresso 18/25

10 Assorbimento 1/3 valenza + fotone in ingresso 19/25 Assorbimento 2/3 Nell assorbimento, un portatore passa dalla banda di valenza a quella di conduzione a causa di interazione con un fotone in ingresso. L energia del fotone di ingresso è dunque trasferita al portatore. 20/25

11 Assorbimento 3/3 Questo effetto è alla base del funzionamento di: Fotodiodi Pompaggio degli amplificatori ottici. 21/25 Emissione ed assorbimento 1/4 In un sistema a semiconduttore, i tre effetti avvengono (con caratteristiche descrivibili in modo stocastico) in modo dipendente da: 1. Frequenza della luce incidente 2. Livelli energetici del semiconduttore 3. Varie altre condizioni, quali la temperatura. 22/25

12 Emissione ed assorbimento 2/4 Si noti che è comunque fondamentale, ai fini dell interazione, che valga la relazione: h f fotone = - tra frequenza dei fotoni e livelli energetici del semiconduttore. Semiconduttori di tipo diverso emetteranno dunque su frequenze ottiche diverse. 23/25 Emissione ed assorbimento 3/4 È inoltre fondamentale la polarizzazione (elettrica) del semiconduttore Inversa Diretta. 24/25

13 Emissione ed assorbimento 4/4 In particolare, affinchè il meccanismo dell emissione (spontanea o stimolata) avvenga in maniera efficiente, deve scorrere attraverso la giunzione una adeguata quantità di corrente Si tenga infatti conto che, per la conservazione dell energia, per ogni fotone generato deve essere disponibile (almeno) un portatore al livello energetico superiore. 25/25

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