Examen de Optoelectronica

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Examen de Opto-electrónica, 2022A 
Nombre: ___Johana Yaredt Arredondo Garay____ 
Cal. ____________________________________ 
Preguntas 
1. Qué es un fotón? 
 
El fotón es la partícula de luz portadora la interacción electromagnética. Un fotón se caracteriza por su energía 
o, equivalentemente, por su frecuencia. 
 
2. ¿Qué es un hueco y un electrón libre? 
 
Los portadores de carga libre son electrones, los electrones y huecos se crean por excitación de electrones 
desde la banda de valencia a la banda de conducción. Un hueco de electrones (o hueco) es la falta de un 
electrón en una posición en la que podría existir en un átomo 
 
3. Explique los dos métodos más comunes para generar luz blanca usando LEDs. 
 
Uno consiste en utilizar leds individuales que emitan los tres colores primarios (rojo, verde y azul) y luego 
mezclar los colores para formar la luz blanca. La otra forma consiste en utilizar un fósforo para convertir la luz 
monocromática de un led azul o UV en un amplio espectro de luz blanca. 
 
4. LEDs emiten más luz en el rango visible que cualquier otra Fuente de iluminación. Pero, su temperatura de 
operación es mucho más baja que otras fuentes (especialmente bombillas de filamento). Explique los principales 
problemas que presentan los LEDs con la temperatura, revise los artículos anexos. 
 
Los LED no fallan de manera instantánea. Sino que ante un aumento de la temperatura por encima de la interna 
hace que el flujo lumínico caiga de una manera lineal. El calor causa mutaciones en el comportamiento de la 
bombilla. A altas temperaturas, el voltaje de avance y la salida de lúmenes de una bombilla LED se reduce, lo 
que disminuye la vida útil de la bombilla. 
 
5. Las adecuaciones necesarias al usar LEDs para iluminación son: 
(a) Una restructuración de la superficie del LED para aumentar la eficiencia externa. 
Se necesitan colocar los dispositivos necesarios para el espacio adecuado. 
(b) El uso de múltiples emisores para alcanzar un flujo óptico suficiente para propósitos de iluminación. 
No se tiene que disminuir la cantidad de leds para disminuir el costo, porque esto ocasionaría la falta de 
flujo óptico, quitando beneficios de la iluminación led 
(c) Circuitos adicionales para convertir la red de CA en una fuente de CC de baja tensión y alta corriente. 
Se necesitan hacer los circuitos correspondientes para asegurar el buen funcionamiento de todas las 
lamparas y asi asegurar la seguridad de la poblacion 
Explique cada uno de estos requerimientos. 
 
6. Describa el principio de operación de un diodo láser, utilice un diagrama descrito en el libro de Kasap. 
 
Los Diodos láser, emiten luz por el principio de emisión estimulada, la cual surge cuando un fotón induce a un 
electrón que se encuentra en un estado excitado a pasar al estado de reposo, este proceso está acompañado 
con la emisión de un fotón, con la misma frecuencia y fase del fotón estimulante. 
= 
 
7. Discuta la diferencia entre LED y diodo láser. 
 
La luz de los LED es más dispersa y multidireccional, mientras que la luz del láser es altamente enfocada. Los 
láseres se utilizan en óptica y electrónica, mientras que los LED se usan para iluminación. Los láseres son más 
potentes y funcionan a mayor velocidad que los LED, y también pueden transmitir la luz más lejos con menos 
errores, a cambio, son mucho más caros. El láser tiene una cavidad óptica (necesaria para una mayor duración) 
que se forma hendiendo el extremo opuesto del chip para formar unos acabados paralelos y extremadamente 
reflectantes, como un espejo. 
 
8. Discuta el concepto de inversión de población en un diodo láser. 
 
La inversión de población es el “principio vital” de los láseres, y se consigue mediante el bombeo adecuado de 
ciertos materiales con niveles de energía electrónicos metaestables, es decir, con niveles de energía en los 
cuales los electrones tardan un tiempo relativamente largo en desexcitarse por emisión espontánea, lo cual 
favorece precisamente la acumulación de electrones en el estado de energía superior. 
 
La redistribución de los niveles de energía atómica que tiene lugar en un sistema para que pueda ocurrir la 
acción del láser o del máser. Normalmente, un sistema de átomos está en equilibrio de temperatura y siempre 
hay más átomos en estados de baja energía que en estados de mayor energía. 
 
9. En un diodo láser, grafique la curva que describe la potencia óptica vs corriente eléctrica y describa como se 
puede estimar la corriente umbral. 
 
En la curva se ve que si queremos transmitir una señal de datos, correspondiente a un tono pues esta señal se 
vería reflejado en la señal de la corriente inyectada que aplicamos al laser, como la curva P-I, tiene una zona de 
régimen lineal pues si aplicamos esta variación sinusoidal en el rango lineal la potencia óptica emitida por el laser 
correspondiente seguiría la misma variación de esta forma la potencia óptica emitida por el laser estaría modulada 
con los datos a transmitir y seria transmitida a la frecuencia portadora óptica correspondiente a la longitud de 
onda central de emisión del laser. 
 
 
 
Si cambiamos la temperatura de operación del laser lo que ocurre es que la corriente umbral aumenta y la 
pendiente cae por lo tanto la misma señal eléctrica aplicada al laser nos daría niveles de potencia optica distintos 
y relaciones de extinción entre máximos y minimos distintos. No obstante el efecto de la temperatura sobre la 
intensidad umbral podemos parametrizar su dependencia con la expresión en la transparencia corriente umbral 
en función de la temperatura en grados Kelvin a partir de dos constantes Io y To que nos facilitaria el fabricante. 
 
 
Problems LEDs 
1) An AlGaAs LED emitter for in a local optical fiber network has the output spectrum shown in Figure 3.32 (b). It is 
designed for peak emission at about 822 nm at 25°C. (a) Why does the peak emission wavelength increase with 
temperature? (b) What is the bandgap of AlGaAs in this LED? (c) The bandgap, Eg, of the ternary AlxGa1-xAs alloys 
follows the empirical expression, 
2(eV) 1.424 1.266x 0.266xgE = + + . What is the composition of the AlxGa1-
xAs in this LED? (d) When the forward current is 40 mA, the voltage across the LED is 1.5V and the optical power 
that is coupled into a multimode fiber through a lens is 25 μW. What is the efficiency? 
 
 
 
 
 
 
 
 
2). Brightness of an LED 
We take an LED with a chip of 0.2 mm, which is viewed from a distance of a 1m. It emits at a wavelength of 550nm and 
has an external quantum efficiency of 0.1%. We further assume that the emission is isotropic and the diode is operated at 
2 V and 50 mA. We must first decide whether the diode acts as a point or as extended source. For that, the angle subtended 
by emitting area at eye should be estimated. Whence θ<1 minute of arc, and the LED acts as point source. 
A) Calculate the radiant flux, luminous flux and the luminous intensity. 
 
 
3). Normal commercial LEDs are rated at 40 lumens/watt. Suppose you want to design a reading light for households 
that is placed 50 cm from the reading material. How many LEDs would you use in your light that are rated at 20 mA and 
3.6 V? Show all your calculations. Apoyese realizando algun díagrama esquematico. 
What is the efficacy of a light that emits 60 lumens at 3V drawing 500mA? 
4). 3.32 LED-Fiber coupling Efficiency 
(a) It is found that approximately 200 μW is coupled into a multimode step index fiber from a surface-emitting LED when 
the current is 75 mA and the voltage across the LED is about 1.5 V. What is the overall efficiency of operation? 
 
 
 
5) Figure 3.53 (b) shows an epoxy dome placed on top of the semiconductor. Suppose that the refractive index of 
the epoxy is 1.8. Calculate the new critical angle at the semiconductor–epoxy interface and estimate the new EE. What is 
the critical angle for light rays at the epoxy–air interface?How critical is it to have an exactly hemispherical surface? 
 
 
 
 
 
 
6. (a) Consider a particular green LED based on InGaN MQW active region. The emission wavelength is 528 nm. At an LED 
current of 350 mA, the forward voltage is 3.4 V. The emitted luminous flux is 92 lm. Find the power conversion efficiency, 
external quantum efficiency, luminous efficacy, and the emitted optical power (radiant flux)? (b) A deep blue LED emits 
at an optical power of 710 mW at 455 nm when the current is 350 mA and the forward voltage is 3.2 V. Calculate the 
power conversion efficiency, external efficiency, and luminous efficacy. 
 
 
Problem Laser diode 
7. If the photon output of a laser diode is equal to the bandgap energy, find the wavelength separation between adjacent 
resonant modes in a GaAs laser with L = 75 μm. 
 
8. 4.28 Fabry–Perot optical resonator in semiconductor lasers Consider a semiconductor Fabry–Perot optical cavity 
of length 250 μm having end-mirrors of reflectance R. Calculate the cavity mode nearest to the free space wavelength of 
1550 nm. If the refractive index of semiconductor is 3.67, calculate the separation of the modes. Calculate the spectral 
width for R = 0.95 and 0.8. What is your conclusion? 
 
9. 4.29 GaAs DH laser diode Consider a GaAs DH laser diode that lases at 850 nm. It has an active layer (cavity) length 
L of 250 μm. The active layer thickness d is 0.2 μm and the width (W) is 5 μm. The refractive index is 3.6, and the 
attenuation coefficient as inside the cavity is 20 cm-1. The radiative lifetime τr in the active region is 3 ns. Find the threshold 
gain gth, carrier concentration nth, current density Jth, and current Ith. Find the output optical power at I = 2Ith, and the 
external slope efficiency η slope.