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FUENTES ÓPTICAS
ANTECEDENTES:
El protagonista por excelencia de la revolución electrónica ha sido una partícula
fundamental, el electrón; y todos los recursos de la ciencia y la tecnología se han
empleado para mejorar las condiciones de transporte y control del mismo. Desde
la década de los años 60 del siglo pasado con la invención del láser y de la fibra
óptica surgió un nuevo competidor para el electrón: el fotón. En 1905 Albert
Einstein lanza por primera vez la idea de que la luz está compuesta por
corpúsculos de energía o cuantos de luz, a los que más tarde se les conocería
como fotones.
INTRODUCCION:
Los fotones tienen la ventaja sobre los electrones de que no tienen carga ni masa
en estado de reposo, por lo que su capacidad de transportar información es
mucho más eficiente y rápida, ya que no tienen perturbaciones al interactuar con
otros portadores de su espacio o con el medio; así es como la transmisión de
información por fibra óptica es mucho más eficiente que por cables eléctricos.
Como en óptica moderna se da ahora igual énfasis a los aspectos de fotón y de
onda de la radiación óptica, este término Fotónica refleja la importancia de ambos
aspectos en el entendimiento de nuevos desarrollos que el Láser ha traído al
campo, como el desarrollo de fibras ópticas y tecnología de semiconductores para
emisores y detectores ópticos. Así el término Fotónica refleja la importancia de la
naturaleza de fotón de la luz en la descripción de la operación de muchos
dispositivos ópticos.
MARCO TEORICO:
Un sistema de fibra óptica funciona enviando información por medios de señales
luminosas. Para esto se compone de un transmisor óptico que convierte los
impulsos eléctricos en rayos de luz, un canal óptico por donde la luz transita y un
Receptor óptico que vuelve a transformar la señal luminosa en impulsos eléctricos.
SISTEMA DE TRANSMISION OPTICA:
TRANSMISOR OPTICO:
Controlador:
Generalmente lo constituye la fuente de alimentación que, en ausencia de
modulador externo, permite también modular la fuente óptica (control sobre la
inyección de corriente) con la señal de entrada.
Modulador:
Los dos principales métodos empleados para variar la señal óptica de salida de los
diodos son: La modulación PCM para sistemas digitales y la Modulación AM, para
sistemas analógicos.
Acoplador:
Micro lentes para focalizar la luz en la entrada de la fibra.
Fuente Óptica:
Las fuentes ópticas son componentes activos en un sistema de comunicaciones
por fibra óptica, cuya función es convertir la energía eléctrica en energía óptica, de
manera eficiente de modo que permita que la salida de luz sea efectivamente
inyectada o acoplada dentro de la fibra óptica.
Los requerimientos principales para una fuente óptica son:

Dimensiones compatibles con el de la fibra.

Linealidad en la característica de conversión electro – óptica.

Características
de
emisión
compatible
con
las
características
de
transmisión de la fibra óptica.

Gran capacidad de modulación.

Suficiente potencia óptica de salida y eficiencia de acoplamiento.

Funcionamiento estable con la temperatura.

Confiabilidad. (Tiempo de vida útil).

Bajo consumo de energía.

Economía.
Características:
 Convierte impulsos eléctricos en señales luminosas.
 Genera luz compuesta por corpúsculos de energía o cuantos de luz.
(fotones)
 Las longitudes de onda más utilizadas son:
> 850 nm (Aplicada para distancias cortas)
> 1310 nm (No dispersión material, Datacom/Telecom)
> 1550 nm (fibras de modo simple, Telecomunicaciones)
En esencia solo hay dos tipos de dispositivos que se usan con frecuencia para
generar luz en sistemas de comunicaciones con fibra óptica:
1. Diodos emisores de luz (LED)
2. Diodos Laser de inyección (ILD)
Ambos dispositivos se fabrican con materiales semiconductores, y tienen sus
ventajas y desventajas. Los LED tienen anchos espectrales de 30 a 50 nm,
mientras que los láseres de inyección solo tienen anchos espectrales de 1 a 3 nm
(1 nm equivale a una frecuencia aproximada de 178 GHz). Por consiguiente una
fuente luminosa de 1320 nm
Con un ancho de raya espectral de 0.0056 nm tiene una amplitud de banda de
frecuencias aproximada de 1 GHz. El ancho de raya es equivalente en longitudes
de onda del ancho de banda.
La preferencia hacia un dispositivo de luz respecto a otro se determina con los
requisitos económicos y de funcionamiento del sistema. El mayor costo de los
diodos laser se compensa con una mayor eficiencia, mientras que los emisores de
luz, normalmente, tienen menor costo y menor eficiencia.
GENERACION DE LA LUZ
Un fotón es una oscilación (una partícula, una conjunción de ondas, y un paquete de
energía) de energía electromagnética. Su aspecto de partícula está relacionado con su
momento lineal (su existencia como partícula) y la presión que ejerce sobre la materia
adyacente. Su cuantificación está relacionada con su momento angular constante, y su
energía cuantificada forma dos espectros diferentes - de cuerpo negro y ionizante. Los
fotones no viajan a través del espacio, ni tienen una estructura fibrosa. Los fotones son
globulares, no fasciculares, y son creados y destruidos al momento - son producciones
locales. Los rayos son simplemente una forma probabilística de aproximar la realidad
física de la onda de fase o de excitación que transmite a través del espacio el estímulo
indirecto para la producción de luz. En el caso de fotones de cuerpo negro, siempre tiene
que intervenir un intermediario entre la onda de fase y la producción de fotones, o luz; el
intermediario es siempre una carga con masa.
DIODOS EMISORES DE LUZ:
Un diodo emisor de luz (LED, Light emitting Diode) es un diodo de unión p-n
fabricado casi siempre con un material semiconductor como el arseniuro de
aluminio y galio (ALGaAs) o el arseniuro fosfuro de galio (GaAsP). Los LED emiten
luz por emisión espontanea: la luz se emite como resultado de recombinación de
electrones con huecos. Cuando tienen polarización directa. Los portadores
minoritarios se inyectan a través de la unión p-n. Una vez atravesada la unión
esos portadores minoritarios se re-combinan con portadores mayoritarios y
desprenden energía en forma de luz. Este proceso es esencialmente el mismo que
en un diodo semiconductor convencional, pero los LED se eligen ciertos
materiales semiconductores y dopantes tales que el proceso es radiativo: esto es,
que se produce un fotón. Este es un cuanto de energía de onda electromagnética.
Los fotones son partículas que viajan a al velocidad de la luz, pero que en reposo
no tienen masa. En los diodos semiconductores convencionales (por ejemplo, de
germanio y de silicio), el proceso es principalmente no radiativo, y no se generan
fotones, La banda prohibida del material que se usa para fabricar un LED
determina el color de la luz que emite, y si la luz emitida es visible al ojo humano.
Para producir los LED, se forman semiconductores con materiales cuyos átomos
tienen tres o cinco electrones de valencia: se conocen como átomos de grupo III o
del grupo V, respectivamente, por su lugar en la tabla periódica de los elementos.
Para producir longitudes de onda de luz en la región de 800 nm. Los LED son de
átomo de grupo III, como por ejemplo, galio (Ga) y Aluminio (Al), y un átomo de
grupo V, como el Arsénico (As). La unión que se forma se abrevia GaAlAs, que
indica arseniuro de galio y aluminio.
Para longitudes de onda mayores, el galio, junto con el indio (In), un átomo de
grupo III, se combinan con átomos de fosforo (P) y arsénico. Del grupo V, con lo
que se forma arseniuro fosfuro de galio e indio (GaInAsP). En la tabla siguiente se
indican algunos materiales semiconductores comunes que se usan para fabricar
LED, con sus respectivas longitudes de onda.
LED de homounión: Una unión p-n formada con dos mezclas distintas de igual
tipo de átomos se llama estructura de homounion. Las estructuras mas sencillas
de LED son las de Homounion y de crecimiento epitaxial o dispositivos
semiconductores de un solo semiconductor difundido, como los dos que se ven en
la fig. 1 Los LED de crecimiento epitaxial se fabrican por lo general con Arseniuro
de galio dopado con silicio. Una longitud de onda normal emitida con esta
estructura es de 940 nm, y la potencia normal de salida es aproximadamente 2
mW (3 dBm)a 100 mA de corriente directa. Las ondas luminosas producidas en
fuentes de homounion no producen una luz muy útil para fibra óptica. La luz se
emite en todas las direcciones por igualy en consecuencia solo una pequeña
fracción del total de la luz producida se acopla en la fibra. Además la relación de
electricidad convertida en luz es muy baja. A los dispositivos de homounion se los
llama con frecuencia emisores superficiales.
Los LED de homounion de difusión plana (Fig. 1) producen más o menos 500 uW
a 900 nm de longitud de onda. La principal desventaja de los LED de homunion es
la no direccionalidad de su luz emitida, lo que hace que sean malas opciones
como fuente luminosa para sistemas de fibra óptica.
Fig. 1 Estructuras de LED de homunión: (a) Arseniuro de Galio
dopado con Silicio (b) Difusión plana
LED de hetero unión: Los LED de heterounion se fabrica con material
semiconductor del tipo p de un conjunto de tomos, y el material semiconductor tipo
n, de otro conjunto. Los dispositivos de heterounion están estratificados
(normalmente dos capas) de tal manera que se amplia el efecto de concentración.
Así se produce un dispositivo que se confina a los electrones, los huecos
portadores y la luz en un área mucho menor. La unión se suele fabricar con un
substrato de material de respaldo, para después emparedarse entre contactos
metálicos con los que se conecta el dispositivo a una fuente de electricidad.
Con los dispositivos de heterounion la luz se emite desde la orilla del material y en
consecuencia, se les llama emisores de borde. Un LED heterounion plana se
parece mucho al LED de crecimiento epitaxial excepto que el diseño geométrico
es tal que se concentra la corriente directa en un área muy pequeña de la capa
activa.
Fig. 2 LED de heterounion plana
Los dispositivos de heterounion tienen las siguientes ventajas sobre los de
homounion:
1. El aumento de densidad de corriente genera una mancha luminosa
mas brillante.
2. La menor área emisora facilita acoplar la luz emitida a una fibra.
3. La pequeña área efectiva tiene menor capacitancia, lo que permite
usar el LED de heterounion a mayores velocidades
En la Fig. 3 se muestra las características eléctricas típicas de un diodo emisor de
luz infrarroja de bajo costo. La parte (a) de esta figura representa la potencia de
salida en función de la corriente directa. Se puede ver que la potencia de salida
varia en forma lineal dentro de un amplio margen de corriente de entrada [0.5 mW
(-3dBm) a 20 mA hasta 3.4 mW (5.3 dBm)a 140 mA]y en (b) muestra la potencia
de salida en función de la temperatura. Se aprecia que la potencia de salida tiene
una variación inversa respecto a la temperatura, dentro de un intervalo de -40 C a
80 C. En (c) muestra la potencia relativa de salida en función de la longitud de
onda de salida.
Para este ejemplo particular la potencia máxima de salida se alcanza a una
longitud de 825 nm a la salida.
Fig. 3 Características eléctricas típicas de los LED
(a) Potencia de salida en función de la corriente directa.
(b) Potencia de salida en función de la temperatura.
(c) Potencia de salida en función de la longitud de onda.
LED de superficie emisora y pozo grabado de Burrus: Para las aplicaciones
mas practicas como en telecomunicaciones, se requieren velocidades de datos
mayores que 100 Mbps. Para estas aplicaciones se desarrollo el LED de pozo
grabado, por parte de Burrus y Dawson, de los Bell Laboratories. Es un LED de
superficie emisora, y se lo muestra en la (Fig.4) emite luz en muchas direcciones y
ayuda a concentrar la luz emitida en un área muy pequeña. También se pueden
poner lentes en domo, sobre la superficie emisora para dirigir la luz hacia un área
menor. Estos dispositivos son más eficientes que los emisores normales de
superficie, y permiten acoplar mas potencia a la fibra óptica pero su fabricación es
difícil y costosa.
Fig. 4 LED de Burrus, de superficie emisora y pozo grabado
LED emisores de borde: El LED emisor de borde desarrollado por la RCA emiten
una distribución mas direccional de la luz que los LED de superficie emisora. La
fabricación se parece a los diodos planos y de Burrus, pero la superficie emisora
es una banda más que un área circular confinada. La luz se emite de una banda
activa y forma un haz elíptico. Los LED de superficie emisora se usan con más
frecuencia que los emisores de borde por que emiten más luz. Sin embargo las
pérdidas de los acoplamientos de los emisores de superficie son mayores y tienen
anchos de banda más angostos.
La potencia luminosa radiante que emite un LED es una función lineal de la
corriente directa que pasa por el dispositivo. También se ve que la potencia óptica
de salida de un LED es, en parte, una función de la temperatura de
funcionamiento.
Diodo de láser de inyección:
Fig 5. Construcción de un diodo láser de inyección
Los láseres se fabrican con muchos y diversos materiales, que incluyen gases,
líquidos y sólidos, aunque el tipo de láser que se usa con más frecuencia para las
comunicaciones de fibra óptica es el laser de semiconductor.
El diodo de laser de inyección (ILD, de injection laser diode) se parece al LED. De
hecho, por debajo de cierta corriente de umbral, un ILD funciona en forma
parecida a un LED. Arriba de la corriente de umbral, un ILD oscila y se produce la
emisión laser. Al pasar la corriente por un diodo de unión p-n de polarización
directa, se emite luz por emisión espontanea, a una frecuencia determinada por la
banda prohibida del material semiconductor. Cuando se llega a determinado valor
de corriente, la cantidad de portadores minoritarios y de fotones que se producen
en ambos lados de la unión p-n llega a un valor en el que comienzan a chocar
portadores minoritarios ya excitados. Esto causa un aumento en el nivel de la
energía de ionización y hace que los portadores sean inestables. Al suceder eso,
un portador normal se re combina con un portador del tipo contrario a un valor de
la energía que es mayor que su valor normal antes del choque. En el proceso se
crean dos fotones; Uno es el estimulado por el otro. En esencia, se realiza una
ganancia en la cantidad de fotones. Para que eso suceda se requiere una gran
corriente directa que pueda suministrar muchos portadores (huecos y electrones).
La fabricación de ILD se parece a la de un LED excepto que n los extremos están
muy pulidos. Los extremos con acabado de espejo atrapan los fotones en la región
activa y, al reflejarse de un lado a otro, estimulan a electrones libres, para
recombinarse con huecos a un valor de energía mayor que el normal. Este es el
proceso llamado laser o estimulación de emisión.
La potencia luminosa radiante de salida de un ILD típico. Se aprecia que se tiene
muy poca potencia de salida hasta que se llega a la corriente umbral; entonces
produce la estimulación. Después de iniciada la estimulación, la potencia óptica de
salida aumenta en forma dramática, con pequeños aumentos en la corriente de
activación. También se ve que en la magnitud de potencia óptica de salida del ILD
depende más de la temperatura de funcionamiento que en el caso del LED.
Potencia de salida en función de la corriente directa
Y la temperatura en un ILD
La figura anterior muestra las distribuciones de irradiación de luz normales en un
LED y en ILD en forma de un haz angosto y centrado, tiene una distribución de
radiación mas dirigida.
VENTANAS DE TRABAJO
LAS MEJORES REGIONES O “VENTANAS” PARA LA TRANSMISIÓN
SON LAS CENTRADAS A 850, 1300 Y 1500 NANÓMETROS (NM):
� CORRESPONDEN A LA ZONA INFRARROJA DEL ESPECTRO, ES
DECIR DEBAJO DEL ESPECTRO VISIBLE (DE 400 A 700 NM).
� LAS PÉRDIDAS SON MENORES A MAYORES LONGITUDES DE
ONDA.
� CON LED A 850 NM SE OPERA GENERALMENTE A MENOS DE 100
Mbps Y A POCOS KM.
� CON LED E ILD A 1300 NM SE LOGRAN MAYORES VELOCIDADES Y
DISTANCIAS.
� CON ILD A 1500 NM SE LOGRAN LAS MEJORES PRESTACIONES,
PERO CON MAYORES COSTOS.
� UN PROBLEMA A TENER EN CUENTA ES LA DISPERSIÓN:
� LA LONGITUD DE LOS PULSOS DE LUZ TRANSMITIDOS
AUMENTA CONFORME SE PROPAGAN.
� SU MAGNITUD DEPENDE DE LA LONGITUD DE ONDA.
COMPARACIÓN DE DIODOS SEMICONDUCTORES Y LEDs COMO
FUENTES
DE
DIFERENCIAS Y CARACTERÍSTICAS
LUZ:
Características de los diodos LASER
Ga Al As
In Ga As P
Longitud de onda (nm)
800-900
900-1550
Anchura spectral (nm)
0,1-4
0,1-6
0,2
0,5
5-20
5-20
Corriente Umbral (mA)
80-150
40-100
Ancho de banda (GHz)
0,5-2
0,5-2
106
106
Estabilidad espectral (nm/°C)
Potencia (mW)
Vida media (horas)
El diodo LASER produce una salida de 5 mw, con una corriente de 200 mA y una tensión
de 1,5 voltios.
Existen 2 tipos de diodos LASER:
1.
Diodos Laser de franjas de óxidos (DL) GaAIAs / GaAs.
2.
Diodos Laser con control por índice (ILD) GaInAsP / InP.
Características de los diodos LED
LED
ELED
Longitud de onda (nm)
850-1300
850-1300
Anchura spectral (nm)
30-110
10-50
Corriente de excitación (mA)
20-300
20-300
1
3
10-50
50-200
Temperatura máxima admisible
60°
60°
Vida media (horas)
107
107
Potencia Media de salida (mW)
Anchura de banda (MHz.Km)
Ventajas de los ILD
1. Como los ILD tienen una dirección de irradiación mas dirigida, es más fácil
de acoplar su luz en una fibra óptica. Esto reduce las perdidas por
acoplamiento y permite usar fibras más pequeñas.
2. La potencia de salida radiante de un ILD es mayor que la de un LED. Una
potencia normal de salida de un ILD en 5mW (7dBm), en comparación con
0.5mW (-3dBm) para lo LED. Eso permite que los ILD proporcionen una
mayor potencia de activación, y usarlos en sistemas que funcionen a través
de mayores distancias.
3. Los ILD se pueden usar a frecuencias mayores de bits que los LED.
4. Los ILD generan luz monocromática, lo cual reduce la dispersión cromática
o longitudes de onda.
Desventajas de los ILD
1. Los ILD cuestan normalmente 10 veces más que los LED.
2. Como los ILD trabajan con mayores potencias, suelen tener duraciones
menores que las de los LED.
3. Los ILD dependen más de la temperatura que los LED.
CONSIDERACIONES PARA LA ADQUISICION:
 Compatibles con el acoplamiento de la luz en la fibra. Idealmente
altamente direccional
 Debe seguir exactamente a la señal eléctrica
 Longitud de onda coincidente o cercana a aquella donde la fibra tiene
baja pérdida y dispersión
 Potencia debe sobrepasar todas pérdidas del trayecto
 Espectro angosto para minimizar la dispersión
 Salida estable
 Económica
CONCLUSIONES:



Los ILD son más eficientes que los otros tipos pero su costo es superior.
El LED emisor de borde es más efectivo que los otros tipos de LED
debido a su emisión en un área reducida.
Debido a que trabaja a mayor potencia el ILD tiene un tiempo de vida
reducido con respecto al LED.
BIBLIOGRAFIA:
Sistemas de comunicaciones electrónicas
Wayne
Tomasi
Sistemas de transmisión
María José Salmerón Domínguez- Daniel López
Navarro