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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