Лектор профессор факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники Университета

Джафарович

karim.mynbaev@niuitmo.ru
«Приборы и применения фотоники»

сигналами, а также созданием на их базе устройств различного назначения.
Фотоника:

изучает генерацию и детектирование фотонов, а также управление ими в видимом и ближних к нему диапазонах спектра электромагнитного излучения.

Фотоника

сигналов и наоборот (микроволновое излучение, электрические сигналы и т.п.)
Принципы

фотоники используются в широком спектре оптических, электрооптических и оптоэлектронных устройств, имеющих самые разнообразные применения. Ключевые области исследований фотоники включают волоконную и интегральную оптику, в том числе нелинейную оптику, физику и технологию полупроводниковых соединений, полупроводниковые лазеры, оптоэлектронные устройства, фотоэлектронные устройства.

Оптоэлектроника
Раздел науки и техники, рассматривающий процессы преобразования электрических сигналов в оптические, процессы распространения излучения в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра в различных средах, а также процессы взаимодействия электромагнитных излучений оптического диапазона с веществом.

Фотоэлектроника
Раздел науки и техники, изучающий вопросы создания, исследования и принципы работы приборов и систем, преобразующих оптические сигналы в электрические. Главным первичным элементом таких приборов является фотоприемник. В фотоэлектронике рассматривают физико-технологические проблемы создания фоточувствительных материалов и элементов, систем охлаждения и обработки изображений.

Фотоника

году Вильямом Гершелем инфракрасного излучения. Однако, невзирая на важность этого

открытия, Гершеля нельзя считать основоположником фотоэлектроники, поскольку он в своих опытах использовал в качестве приемника излучения термометр, который не превращает оптический сигнал в электрический, т.е. не является фотоэлектрическим прибором. Поэтому эра фотоэлектроники берет свое начало со времени изобретения первого фотоэлектрического приемника излучения.
Некоторые специалисты считают датой рождения фотоэлектроники 1821 год, когда немецкий физик Томас Иоган Зеебек (Thomas Johann Seebeck, 1770-1831) впервые наблюдал термоэлектрический эффект (эффект Зеебека) – возникновение электродвижущей силы в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разных материалов, когда контакты этих материалов имеют разную температуру. То есть Зеебек изготовил термопару. Для повышения чувствительности термопары итальянский физик Леопольд Нобили (Leopoldo Nobili, 1784-1835) сначала соединяет последовательно несколько термопар в термобатарею, а затем подбирает эффективные материалы – висмут и сурьму (1830 год), а в 1834 году итальянский физик Македонио Меллони (Macedonio Melloni, 1798-1854) использовал такую термопару для регистрации теплового излучения.
Другим тепловым приемником является болометр, появление которого (1878 год) связывают с именем американского ученого Самуеля Пирпонта Ленгли (Samuel Pierpont Langley, 1834-1906). В 1881 году Ленгли выполнил поразительные опыты – с помощью болометра и собирающего зеркала зарегистрировал на значительном расстоянии тепловое излучение от живого объекта. Очевидно, это был прообраз тепловой системы обнаружения. Болометрические приемники излучения до сих пор активно используются в технике.

Фотоэлектроника

открытие принадлежит английскому инженеру Виллоби Смиту (Willoughby Smith, 1828-1891), который,

исследуя электрические свойства селена (1873 год), обнаружил зависимость его сопротивления от освещенности. Так было открыто явление фотопроводимости, основанное на внутреннем фотоэффекте, и которое лежит в основе работы целого класса полупроводниковых фотонных приемников излучения – фоторезисторов. Открытие Смита стало толчком для начала эры полупроводниковой фотоэлектроники.
Следовательно, у твердотельной фотоэлектроники существуют две даты рождения: 1821 год – открытие термоэлектричества и начало создания тепловых приемников оптического излучения и 1873 год – открытие фотопроводимости и начало создания фотонных приемников.
Работа приборов вакуумной фотоэлектроники основана на внешнем фотоэффекте. Еще в 1839 году французский физик Александр Беккерель (Alexander Bekkerel, 1820-1891) наблюдал явление фотоэффекта в электролите. Проводя серию экспериментов по исследованию электричества, Беккерель погрузил два металлических электрода в проводящий раствор и осветил солнечным светом. Между электродами возникала небольшая разность потенциалов. Потом эффект изучал немецкий физик Генрих Рудольф Герц (Heinrich Rudolf Hertz, 1857-1894). В 1887 году, работая с открытым резонатором, обнаружил, что подсветка цинковых разрядников ультрафиолетом заметно облегчает возникновение разряда. Исследование фотоэффекта показало, что вопреки классической электродинамике энергия фотоэлектрона всегда строго связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности излучения. В 1888-1890 годах фотоэффект изучал русский физик Александр Столетов (1839-1896). Он сделал несколько важных открытий в этой области, в частности, вывел первый закон внешнего фотоэффекта. В 1905 году Альберт Эйнштейн (Albert Einstein, 1879-1955) объяснил фотоэффект на основании гипотезы Макса Планка (Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858-1947) о квантовой природе света, за что получил Нобелевскую премию 1921 года.

Фотоэлектроника

природы света сначала как потока частиц (например, теория «истечения»), а

затем и волновых представлений о свете. Вершиной «классического» этапа развития оптики и представлений о природе света явилась электромагнитная теория, обобщенная в виде системы дифференциальных уравнений Максвелла.
Второй этап тесно связан с теми революционными преобразованиями, которые претерпела физика в начале XX в. Изучение оптических спектров поглощения и испускания привело к необходимости введения понятий о квантовых скачках и кванте действия как минимальном действии, которые ввел в 1900 г. М. Планк для объяснения спектра излучения черного тела. Впоследствии постоянная h, имеющая размерность «действия» [Дж с], была названа постоянной Планка. В 1905 г. А. Эйнштейн на основе теории Планка возродил в новой форме корпускулярную теорию света, предположив, что планковские кванты энергии Е = hv существуют в виде реальных частиц, названных им световыми квантами, или фотонами. Таким образом Эйнштейну удалось объяснить открытый ранее фотоэффект (за что он и получил Нобелевскую премию по физике). Применив эти понятия к атому, Нильс Бор в 1913 г. объяснил простую связь частоты излучения с разницей энергий между уровнями.
Фундаментальную роль для последующего развития квантовой электроники сыграла работа А. Эйнштейна (1917 г.), в которой он на основании рассмотрения термодинамического равновесия системы молекул ввел понятие об индуцированном излучении. В 1954 г. советские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров разработали проект, а американский физик Ч. Таунс создал действующий мазер на пучке молекул аммиака. Это был первый прибор, работавший на квантовых принципах, в основе которого лежало явление усиления электромагнитных колебаний с помощью индуцированного излучения. За эти работы им была присуждена Нобелевская премия. Таким образом, 1954 г. может быть назван годом рождения квантовой электроники как самостоятельной науки.

превышала 570 °C (температура начала красного свечения, видимого человеческим глазом в

темноте). Для зрения человека, оптимальный, физиологически самый удобный, спектральный состав видимого света отвечает излучению абсолютно чёрного тела с температурой 5770 K. В телах накаливания современных ламп накаливания применяется тугоплавкий и недорогой металлический вольфрам — элемент, рекордный по высоте температуры плавления. Рабочие температуры вольфрамовых нитей ламп накаливания лежат в пределах 2000-2800 °C (при температуре плавления 3410 0С) и спектр смещён в красную часть.

первую лампу накаливания (с платиновой спиралью).
1854 немец Гёбель разработал

первую «современную» лампу: обугленную бамбуковую нить
в вакуумированном сосуде.
1874 А.Н. Лодыгин: угольный стержень, помещённый в вакуумированный сосуд (4-10 Лм/Вт, 5-20 часов).
1875—1876 П.Н. Яблочков: каолин - «нить накала» надо разогреть до высокой температуры, чтобы лампа зажглась. В первых лампах «нить накала» подогревалась спичкой, впоследствии стали использовать электрические нагреватели.
1878 Суон: угольное волокно в разреженной кислородной атмосфере, что позволяло получать очень яркий свет.
1879 Эдисон: платиновая нить. 1880 год: угольное волокно (время жизни 40 часов).
1890-е годы А.Н. Лодыгин: нити накала из тугоплавких металлов (в т.ч. вольфрам, молибден).
1890-е годы: окиси магния, тория, циркония, иттрия, осмия, тантала.
1900-е годы: вольфрам, заполнение аргоном. 1909 – зигзагообразная нить, 1913 – «современная лампа».

30 Лм/Вт)
Яркость от 106 кд/м2 до 3х107 кд/м2
Срок службы до

2000 часов

В галогенной лампе окружающий тело накала йод (совместно с остаточным кислородом) вступает в химическое соединение с испарившимися атомами вольфрама, препятствуя осаждению последних на колбе. Этот процесс является обратимым — при высоких температурах вблизи тела накала соединение распадается на составляющие вещества. Атомы вольфрама высвобождаются таким образом либо на самой спирали, либо вблизи неё. В результате атомы вольфрама возвращаются на тело накала, что позволяет повысить рабочую температуру спирали (для получения более яркого света), продлить срок службы лампы, а также уменьшить габариты по сравнению с обычными лампами накаливания той же мощности.

Срок службы может быть повышен до 8000—12 000 часов. Светоотдача до 25 Лм/Вт.

Физическая основа — электрический разряд в газах
По источнику света, выходящего наружу

и используемого человеком, газоразрядные лампы делятся на:
люминесцентные лампы (ЛЛ), в которых в основном наружу выходит свет от покрывающего лампу слоя люминофора, возбуждаемого излучением газового разряда;
газосветные лампы, в которых наружу выходит сам свет от газового разряда;
электродосветные лампы, в которых используется свечение электродов, возбуждённых газовым разрядом.

В разрядных лампах могут использоваться разные газы: пары металлов (ртути или натрия), инертные газы (неон, ксенон и другие), а также их смеси. Наибольшей эффективностью обладают натриевые лампы, они работают в парах натрия и имеют эффективность 150 лм/Вт. Подавляющее большинство разрядных ламп — это ртутные лампы, они работают в парах ртути. Среди ртутных ламп можно упомянуть дуговые ртутные люминесцентные лампы (ДРЛ). Кроме этого, широко распространены металлогалогенные лампы (МГЛ или ДРИ) — в них используется смесь паров ртути, инертных газов и галогенидов металлов. Меньше распространены безртутные разрядные лампы, содержащие инертные газы: ксеноновые лампы, неоновые лампы и другие.

40 до 220 лм/Вт.
Цветовая температура излучения: от 2200 до 20000

К
Цветопередача: хорошая (3000 K: Ra>80), отличная (4200 K: Ra>90)
Компактные размеры излучающей дуги позволяют создавать световые пучки высокой интенсивности

Xe

Hg

Na

тлеющий или дуговой разряд, холодные электроды
Высокое давление (0,2-15 атм) и

сверхвысокое давление (до 100 атм) - дуговой разряд, активируемые или самонакаливающиеся электроды
Освещение: ртутные лампы низкого давления, резонансные линии 253,7 и 184,9 нм возбуждают свечение люминофора:
галофосфат кальция Ca3(PO4)2 Ca(Cl,F)2:(Sb, Mn)
фосфат-ванадат иттрия YVO4-YPO4:Eu

но большинство из нас всё время сталкивается со светодиодами, даже

не подозревая об этом. История появления светодиодов (электролюминесценции полупроводников) ведет свой отчет с начала 20 века. Первое известное сообщение об излучении света твёрдотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом из лаборатории Маркони. В 1923 г. наш соотечественник О.В. Лосев, проводя радиотехнические исследования, заметил голубоватое свечение, испускаемое некоторыми полупроводниковыми детекторами. При этом разогрева элементов конструкции не было, свет рождался внутри карбидокремниевого кристалла вследствие неизвестных тогда электронных превращений. Однако интенсивность излучения была столь ничтожной, что научная общественность фактически «не увидела» его, по крайне мере, в переносном смысле, так как в электронике тех дней (всё ещё вакуумной) происходили вещи более значимые.

Оптоэлектроника светодиодов

радиолаборатории, наблюдал излучение света, исходящее из кристаллов карбида кремния SiC

(карборунда). О. В. Лосев вполне оценил практическую значимость своего открытия, позволявшего создавать малогабаритные твёрдотельные (безвакуумные) источники света с очень низким напряжением питания (менее 10 В) и очень высоким быстродействием. Полученные им два авторских свидетельства на «Световое реле» (первое заявлено в феврале 1927 г.) формально закрепили за Россией приоритет вобласти светодиодов, утраченный в 1960-гг. в пользу США после изобретения современных светодиодов, пригодных к практическому применению.

«Отцом» современных светодиодов считается Ник Холоньяк. В 2006 году Американский институт физики по случаю своего 75-летия выбрал пять наиболее важных статей, опубликованных в своих журналах. Две из этих пяти статей, опубликованных в журнале Applied Physics Letters, были написаны Холоньяком. Первая, написанная в соавторстве с С. Ф. Бевакуа в 1962 году, сообщала о создании первого светодиода видимого света (инфракрасные светодиоды появились на год раньше). В февральском номере Reader's Digest в 1963 г. Холоньяк предсказал, что светодиоды заменят традиционные лампы накаливания, поскольку превосходят их по качеству и эффективности.

Оптоэлектроника светодиодов

элементов, что требует совместимости материалов
Trend: Integrated approach
Make substrate
Grow epi-layers
Form

contact patterns
Cut the chips into dies

Encapsulate
Make primary optics
Include phosphor

Mount packages on a PCB
Optimize for applications

Make heat sink
Make secondary optics
Assemble in a single unit

Attach external control unit
Combine with sensors into system

Integration as an important innovative factor

Оптоэлектроника светодиодов

3. Испускаемое излучение, 4. Проводящий слой, 5. Анод (+)
Органические соединения —

класс химических соединений, в состав которых входит углерод (за исключением карбидов, угольной кислоты, карбонатов, оксидов углерода и цианидов). Органические соединения, кроме углерода, чаще всего содержат водород, кислород, азот, реже — серу, фосфор, галогены и некоторые металлы (порознь или в различных комбинациях).

газоразрядная лампа, светоизлучающий диод, лазер и др.);
электрическая — накачка электрической

энергией (инжекционные лазеры);
электронная — накачка электронным пучком;
химическая — вызываемая химическими реакциями в лазерном веществе.

длин волн путем изменения добротности резонатора. Наиболее популярен He-Ne лазер,

работающий на длине волны 633 нм (красный свет), он широко используется в учебных лабораториях и при проведении исследований.
Лазер на двуокиси углерода, или CO2 лазер, выдает мощность в десятки киловатт на длинах волн 9.6 мкм и 10.6 мкм и ранее широко использовался в промышленности для сварки и резки.
Аргоновые лазеры излучают в диапазоне длин волн 351–528.7 нм. Наиболее часто используются линии излучения на длинах волн 458 нм, 488 нм и 514.5 нм.
Азотный лазер способен излучать УФ на длине волны 337.1 нм.
Лазеры на парах меди выдают две спектральные линии с зеленым (510.6 нм) и желтым (578.2 nm) светом, и являются наиболее мощными лазерами с высокой эффективностью в видимом диапазоне длин волн.
Лазеры на ионах металлов обычно выдают излучение в УФ области спектра. Примерами таких лазеров являются гелий-серебряный лазер (HeAg) с длиной волны излучения 224 нм, гелий-медный лазер (NeCu), работающий на длине волны 248 нм и гелий-кадмиевый лазер (HeCd) с длиной волны 325 нм.

такие как ксенон или криптон, высокоинертны и обычно не образуют

химических соединений. В возбуждённом состоянии (вызванном электрическим разрядом), они могут образовывать молекулы друг с другом (димеры) или с галогенами, такими как фтор или хлор. Появление молекул в возбуждённом связанном состоянии автоматически создаёт инверсию населённостей между двумя энергетическими уровнями. Такая молекула, находящаяся в возбуждённом состоянии, может отдать свою энергию в виде излучения, в результате чего молекула переходит в основное состояние, а затем очень быстро (в течение пикосекунд) распадается на составляющие атомы.
Несмотря на то, что термин «димер» относится только к соединению одинаковых атомов, а в большинстве эксимерных лазеров используются смеси благородных газов с галогенами, название прижилось и используется для всех лазеров аналогичной конструкции. Длина волны эксимерного лазера зависит от состава используемого газа, и обычно лежит в УФ области.

сочетании с набором красителей жидкостные лазеры перекрывают диапазон длин волн

от 0,34 до 1,17 мкм. КПД современных лазеров на органических красителях достигает 30% при накачке лазерным излучением и 1% — при накачке импульсными лампами.
При непрерывном режиме выходная мощность жидкостных лазеров достигает нескольких ватт, при импульсных режимах — от 10 Вт до нескольких мегаватт; если длительность импульса 20 нс и частота повторения до 200 Гц, расходимость лазерного пучка составляет 2...2,5 мрад. В режиме синхронизации мод возможна генерация очень коротких световых импульсов — 3-10-14 с.

основного уровня Е1 на возбужденные уровни Е3 и Е4, образующие

две широкие полосы. Примерно через 10 нс электроны падают на уровень Е2, называемый метастабильным. Здесь они могут находиться примерно 10-3 с. Энергия Е3 - Е2 превращается в теплоту. На уровне Е2 происходит накопление электронов и создается инверсная населенность по отношению к уровню Е1.
Свет с частотой ν согласно условию hv = E2 – E1 вызывает вынужденные переходы с уровня Е2 на уровень Е1.

светодиоды или лазерные диоды), световода 1, в котором происходит генерация,

и резонатора 2. Световод содержит активное вещество (легированное оптическое волокно — сердцевина без оболочки, в отличие от обычных оптических волноводов) и волноводы накачки. Резонаторы: типа Фабри — Перо или кольцевые.

Волоко́нный ла́зер — лазер, активная среда и, возможно, резонатор которого являются элементами оптического волокна. При полностью волоконной реализации такой лазер называется цельноволоконным, при комбинированном использовании волоконных и других элементов в конструкции лазера он называется волоконно-дискретным или гибридным.

Сверхчистый плавленый кварц, который является основным материалом оптических волокон, обладает высокой прозрачностью (оптические потери — несколько % на километре длины). Примеси, вводимые в кварц легированием, превращают его в активную среду. Исходя из требований на частоту излучения (инфракрасный диапазон для телекоммуникаций) и малую пороговую мощность накачки, как правило, легирование выполняют редкоземельными элементами группы лантаноидов. Одним из распространённых типов волокон является эрбиевое, используемое в лазерных и усилительных системах, рабочий диапазон которых лежит в интервале длин волн 1530—1565 нм. Степень легирования редкоземельными ионами обычно зависит от длины изготовляемого активного волокна. В пределах до нескольких десятков метров она может составлять от десятков до тысяч ppm, а в случае километровых длин — 1 ppm и менее.

образуется воздушными каналами 2 (например, цилиндрической формы), окружающими сплошную (или

полую) сердцевину волокна 1 — они образуют двумерный фотонный кристалл. Волноводные моды в них формируются не путём внутреннего отражения луча при распространении вдоль волокна, а вследствие появления запрещённых зон в спектре пропускания микроструктуры. В типичном ФКОВ микроструктура образуется гексагонально упакованными воздушными каналами. Главной особенностью такого волокна является поддержка только основной моды независимо от длины волны или диаметра сердцевины. Поэтому микроструктуры позволяют создавать оптическое волокно с любой заданной числовой апертурой (от очень маленьких для активной сердцевины до очень больших для волноводов накачки) при сравнительно большом диаметре сердцевины.
Для накачки редкоземельных ионов в срезе ФКОВ
создаётся структура, напоминающая оптическое
волокно с двойным покрытием. Вокруг внутреннего
фотонного кристалла, окружающего активную
сердцевину, на некотором расстоянии формируется
ещё один слой воздушных каналов (типично
вытянутых в срезе волокна в радиальном направлении).

& aesthetic
Лазеры

Si GaAs

эВ.
Собственная концентрация ni=2,33·1013 см−3.
Эффективная масса:
электронов: m=0,08m0
дырок, тяжелых: mhh=0,38m0
дырок,

легких: mhl=0,04m0

Ширина запрещённой зоны (300 K) 1,12 эВ.
Собственная концентрация ni=1,1·1010 см−3.
Эффективная масса:
электронов: m=0,36m0
дырок, тяжелых: mhh=0,49m0
дырок, легких: mhl=0,16m0

Si

Ge

теплопроводность
Наличие прекрасного собственного окисла и возможность управления свойствами интерфейса «полупроводник/диэлектрик»
Более

высокая подвижность дырок (500 vs 400 см2В−1с−1).

При изготовлении солнечных батарей:
Более низкий коэффициент поглощения Si – толстые слои, но нет необходимости в подложке. Для GaAs требуются единицы микрометров толщины, но нужна подложка.
У кремния нет проблем со стехиометрией….
Совершенная решетка, низкая концентрация примесей и технология 16 нм… У GaAs обычно трудно избавиться от остаточных примесей и технология на уровне 100 нм.

Области применения в оптоэлектронике:
Инфракрасные светодиоды, инфракрасные лазеры с 1962 г.
Фотоприемники.
Солнечные батареи: тонкопленочные – дорогие, но высокоэффективные. В 1980-х годах их эффективность превзошла эффективность кремниевых, и в 1990 они заменили кремниевые в космических приложениях. Затем двух и трех-переходные (с Ge и InGaP) достигли эффективности в 32% и могут работать с концентрированным излучением до 2000 солнц (на Марсе трудятся). Рекорд эффективности в 30%.

300 К плавно изменяется в зависимости от мольной доли компонентов

от 1,42 эВ у GaAs до 2,16 эВ у AlAs. В диапазоне х от 0 до 0,4 является прямозонным полупроводником. Постоянная решётки этого соединения практически не зависит от параметра х, и, соответственно, совпадает с таковой у GaAs.

Применение: обкладки КЯ в гетероструктурах GaAs/AlGaAs в лазерных и фотодиодных структурах, “пассивация” GaAs.

InGaAs: Ширина запрещенной зоны Eg при 300 К плавно изменяется в зависимости от х от 0,354 эВ у InAs до 1,42 эВ у GaAs.

Применение: оптические приемники и излучатели ИК диапазона. Обладает большей по сравнению с кремнием и арсенидом галлия подвижностью носителей заряда.
Варьируя состав (х), можно оптимизировать спектры излучения и чувствительности приёмников в ближнем ИК, что находит применение в оптоволоконных технологиях передачи данных, использующих ИК-излучение с длиной волн 1300 и 1550 нм.

эВ (при 300 K).

Используется в качестве полупроводникового материала для изготовления

оптоэлектронных приборов ультрафиолетового диапазона. Начал широко использоваться в светодиодах с 1990 года, а также мощных и высокочастотных полупроводниковых приборах. Имеет повышенную устойчивость к ионизирующему излучению (также, как и для другие полупроводниковые материалы — нитриды III группы), что перспективно для создания длительно работающих солнечных батарей космических аппаратов.

Из-за того, что транзисторы из нитрида галлия могут сохранять работоспособность при более высоких температурах и напряжениях, чем транзисторы из арсенида галлия, этот материал становится всё более привлекательным для создания приборов применяемых в усилителях мощности СВЧ.

излучения ( в т.ч. т.н. солнечно-слепых)

В первом случае возможно выращивание

нескольких слоев с изменением ширины запрещенной зоны, двухслойный солнечный элемент с ширинами запрещенной зоны в 1.1 и 1.7 эВ способен работать с эффективностью до 50%, от многослойных элементов ожидается эффективность до 70%.
Во втором случае, многослойные гетероструктуры позволяют при помощи изменения ширины запрещенной зоны отсекать более коротковолновое излучение солнечного спектра и выделять только необходимые для детектирования длины волн.

Нитриды галлия, индия и алюминия

тонкостенных заготовок: EFG (Edge defined film-fed crystal growth technique),
тонкослойный

поликремний (Apex).
Тонкоплёночные (второе поколение):
кремниевые: аморфные, микрокристаллические, нанокристаллические, CSG (crystalline silicon on glass);
на основе теллурида кадмия (CdTe);
на основе селенида меди-индия-(галлия) (CI(G)S);
ФЭП третьего поколения:
фотосенсибилизованные краситилем (dye-sensitized solar cell, DSC);
органические (полимерные) ФЭП (OPV);
неорганические ФЭП (CTZSS);
ФЭП на основе каскадных структур.