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FUENTES
ÓPTICAS
Estudiantes: DANA ARTEAGA MUJICA
FABRICIO ALBIS LIQUITAYA
NELSON ARUQUIPA MOLLE
FUENTES ÓPTICAS
Permite que la salida de luz sea
efectivamente acoplada dentro de
la fibra óptica.
Componentes activos
Convertir la energía eléctrica
en energía óptica
REQUERIMIENTOS PARA LAS
FUENTES OPTICAS
Dimensiones compatibles con el de la fibra.
Linealidad en la característica de conversión electro – óptica.
Gran capacidad de modulación.
Modulación directa.
Suficiente potencia óptica de salida y eficiencia de acoplamiento.
Funcionamiento estable con la temperatura.
Confiabilidad. (Tiempo de vida útil).
Bajo consumo de energía.
Economía.
Tamaño y configuración óptimas para el acoplo de luz en la fibra.
Emitir luz a longitudes de onda idóneas para la fibra.
Relación lineal entre potencia emitida y corriente inyectada.
FOTÓN Y GENERACIÓN DE LUZ
Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética
Luz
Rayos gamma
Luz infrarroja Microondas
Rayos X
Luz visible
ultravioleta
• 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 e ionizante.
• Los fotones no viajan a través del espacio, ni tienen una estructura fibrosa.
• Son globulares y son creados y destruidos al momento.
EFECTO FOTOELÉCTRICO.
Son emisión de electrones por un material cuando se hace incidir sobre la radiación
electromagnética. A veces se incluyen en el término otros tipos de interacción entre la
luz y la materia.
Fotoconductividad
Aumento de la conductividad eléctrica
en diodos provocada por la luz.
Efecto fotovoltaico
Transformación parcial de la energía
luminosa en energía eléctrica
TIPOS DE FUENTES ÓPTICAS.
DIODO LASER
LED
Se usan universalmente como fuentes luminosas en los sistemas de comunicaciones
ópticas, debido a que ningún otro tipo de fuente óptica puede modularse directamente a
las altas velocidades de transmisión requerida, con tan baja excitación y tan baja salida.
Para anchos de banda grandes y largos enlaces, el láser ofrece un mejor rendimiento.
Para distancias cortas y medias con anchos de banda escasos, en donde la baja potencia
de salida, la respuesta en frecuencia o la gran anchura espectral no sean factores
limitativos, se suele escoger el LED
DIODO EMISOR DE LUZ (LED)
(LIGHT EMITTING DIODE).
Las fuentes de luz no coherente LED son una unión p-n polarizada que emiten radiación
óptica de acuerdo con la intensidad eléctrica que se haga pasar por la misma.
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ESTRUCTURA DE UN LED
Extremo superior abovedado de la cápsula de resina epoxi, la existencia de
esta lente permite concentrar el haz de luz que emite el chip y proyectarlo en
una sola dirección.
Cápsula de resina epoxi protectora del chip.
Chip o diodo semiconductor emisor de luz.
Copa reflectora. En el interior de esta copa se aloja el chip emisor de luz.
Base redonda de la cápsula de resina epoxi, que sirve para identificar el
terminal negativo (–) correspondiente al cátodo del chip.
Alambre terminal negativo (–) de conexión a un circuito eléctrico o
electrónico externo.
Alambre terminal positivo (+) correspondiente al ánodo
del chip del diodo, que se utiliza para conectarlo al circuito externo.
Alambre muy delgado de oro, conectado internamente con el terminal
positivo (+) y con el ánodo del chip.
ESTRUCTURA INTERNA DEL CHIP
DE UN DIODO LED
El chip se compone de nitruro de galio (GaN) como
elemento semiconductor
La corriente de electrones “I” penetra en el diodo
LED por el cátodo (negativo)
Cuando a este chip se le aplica un voltaje que lo polarice de forma directa, los electrones
adquieren la energía extra necesaria que les permite circular y atravesar las dos regiones
que lo componen y pueden pasar a ocupar los huecos existentes en la región “P” (positiva).
Los electrones continúan su recorrido por esa otra parte del diodo, circulan por el circuito
externo, atraviesan la resistencia limitadora de corriente “R” y alcanzan, finalmente, el polo
positivo (+) de la batería y se une a un hueco en la región “P”, el exceso de energía extra
previamente adquirida procedente de la batería la libera en forma de fotón de luz.
TIPOS DE LEDS
LED de emisión lateral o por el borde, ELED
Superficie emisora de luz seméjate a una tira estrecha en el
mismo plano de la unión p-n
La luz radia de forma transversal haciéndose más directiva y
las pérdidas de acoplamiento a la fibra sean menores.
LED súper luminiscente, SLD
Una de sus caras por donde va a salir la luz es tallada y por
tiene una cierta capacidad de reflexión, la otra cara no es
tallada, de manera que el efecto laser no se presenta.
LED por emisión superficial, SLED
Desarrollado para aplicaciones con necesidades altas de
velocidad de transmisión (mayores a 100Mbps)
Emite luz en muchas direcciones pero concentrando la luz
emitida en un área muy pequeña, lo que se conoce como
diodo de Burrus.
PROCESO DE EMISIÓN
Se basa en la recombinación de electrones y huecos en una unión p-n,
lo que provoca emisión de fotones.
Longitud de onda de la luz emitida
ℎ𝑐
λ=
𝐸
Electroluminiscencia
ℎ = Cte. de Plank= 6,6255 · 10-34 Julios por segundos
C = Velocidad de la luz= 3·108 m/s
E= Diferencia de energía
• En un LED la luz se emite según los 360° que corresponden en una radiación
esférica, pero en la práctica esto queda limitado por la construcción mecánica del
diodo, la reflexión de la luz en el material metalizado y la absorción en el metal
semiconductor.
• La apertura numérica puede variar desde 0,9 para un LED de gran ángulo hasta
0,2 para uno de estrecho ángulo.
PROCESO DE EMISIÓN
• Un ancho de banda típico para un buen diodo es de 200Mhz. Rendimientos
de 50 µW/mA son usuales, y no se requiere corriente umbral.
• La luz del diodo puede filtrarse, de modo que solamente parte del espectro total pase
a la fibra, pero esto se hace a costa de una disminución de la potencia disponible de
la fuente de luz
CARACTERÍSTICAS Y USOS DEL
LED
LASER
LED
Más rápido
Mayor estabilidad térmica
Potencia de salida mayor
Menor potencia de salida, mayor
tiempo de vida
Emisión incoherente
Emisión coherente de luz
Construcción es más
compleja
Actúan como fuente s
adecuadas en sistemas de
telecomunicaciones
Modulación a altas
velocidades, hasta GHz
Más económico
Se acoplan a fibras ópticas en
distancias cortas de transmisión
Velocidad de modulación hasta
200MHz
• Fibras multimodo de apertura numérica alta.
• Secciones de regeneración pequeña o recorridos cortos como en redes locales o
tendidas en pequeñas áreas.
• Baja velocidades de modulación, función del ancho de banda permitido.
LASER
(LIGHT AMPLIFICATION BY SIMULATED EMISSION OF RADIATION)
AMPLIFICACIÓN DE LUZ POR EMISIÓN ESTIMULADA DE RADIACIÓN
Fuentes de luz coherente de emisión estimulada con espejos
semireflejantes formando una cavidad resonante, para
realizar la retroalimentación óptica.
Emite haces luminosos estimulados y por lo tanto coherentes.
Produce que se aumente la potencia de salida, disminuyan los
anchos espectrales y el haz de luz sea mucho más directivo.
El funcionamiento del diodo láser lo determinan su composición
química y su geometría.
ESTRUCTURA COMPOSICION QUIMICA DE UN
DIODO LASER DE ESTADO SÓLIDO
Los diodos láser que emiten en la región 0.78 a 0.9
micrón, están formados por capas de arseniuro de galio
(GaAs) y arseniuro de aluminio y galio (ALGaAs)
desarrollado sobre un subestrato de GaAs.
Los dispositivos para longitud de onda mayor, que
emiten a 1.3 a 1.67 micrones, se fabrican con capas de
arseniuro fosfuro de indio y galio (InGaASP) y fosfuro
de indio (InP), desarrollado sobre un subestrato de InP.
Cuando pasa la corriente por los contactos metálicos los electrones inyectados desde la capa tipo N y
los huecos inyectados desde la capa tipo P se recombinan en el área activa delgada, y emiten luz.
La acción lasérica comienza al incrementarse la corriente.
TIPOS DE DIODOS LASER
FABRY PEROT
Constituido por dos
espejos en los
extremos de la guía,
constituyéndose en
una cavidad resonante
donde la luz es
reflejada y vuelta a
reflejar entre los dos
espejos a ambos lados
del semiconductor
Se utiliza para la
transmisión de datos
en el retorno.
VCSEL
Posee espejos
resonadores arriba y
abajo de la capa
activa, lo que
produce que la luz
resuene
perpendicular a la
juntura y emerja a
través de un área
circular en la
superficie.
Se usa comúnmente
con la fibra
multimodo.
DFB
La red de
difracción se
distribuye a lo
largo de todo el
medio activo.
La longitud de
onda de la red
determina la
longitud de
onda emitida
por el láser, en
una línea muy
fina del espectro
DBR
La red de difracción
esta fuera de la zona
activa, en donde no
circula corriente
Los diodos DFB y
DBR son utilizados
en fibras monomodo
y son sensibles a
variaciones de
temperatura.
TIPOS DE DIODOS LASER
DFB (Distributed FeedBack Laser)
LA RED DE DIFRACCIÓN SE DISTRIBUYE A LO LARGO DE TODO EL
MEDIO ACTIVO.
PROCESO
DE
EMISIÓN.
Volumen de generación pequeño y alta concentración de portadoras inyectados
Espectro estrecho
La pastilla láser suele tener una longitud de 300nm, con dos caras cuidadosamente cortadas en ambos extremos a
modo de espejos. El origen de la misión de fotones es la recombinación directa electrón-hueco en la capa activa.
A) ABSORCIÓN
no libera energía.
B) BOMBEO
Estado metaestable o inestable
PROCESO DE EMISIÓN
C) EMISIÓN ESPONTÁNEA
D) EMISIÓN ESTIMULADA:
PROCESO DE EMISIÓN
COMPONENTES DEL DISPOSITIVO LÁSER
PROPIEDADES DEL HAZ LÁSER
Monocromático
De una sola longitud de onda.
En realidad, de un ancho
espectral bastante estrecho.
Direccional
Patrón de radiación contenido
en una región angular
pequeña, haciendo el acople
con haciendo el acople con
fibras monomodo más fácil y
eficiente.
,
Coherente
Todas las ondas individuales están
en fase una con otra en cada
punto. La coherencia es el término
usado para describir la propiedad
de fase de las ondas de radiación
óptica del haz.
CARACTERÍSTICAS DE LOS LÁSER.
Láser se utiliza generalmente en sistemas de comunicación con:
• Potencias ópticas de salida alta.
• Fibras nomomodo o multimodo.
• Alta velocidad máxima de modulación y grandes capacidades de
transmisión.
• Gran longitud, donde se requiere alta potencia y baja dispersión en la
fibra.
DIFERENCIAS ENTRE DIODOS LED E ILD.
DIFERENCIAS ENTRE DIODOS LED E ILD.
Item
Tipo de Fibra
Tx de Datos
Tiempo de vida
Costo
LASER
Más rápido
Potencia de salida mayor
Emisión coherente de luz
Construcción es más compleja
Actúan como fuente s adecuadas en
sistemas de telecomunicaciones
Modulación a altas velocidades, hasta GHz
LED
MM
Bajo
Largo
Bajo
ILD
SM, MM
Alto
Corto
Alto
LED
Mayor estabilidad térmica
Menor potencia de salida, mayor tiempo de vida
Emisión incoherente
Más económico
Se acoplan a fibras ópticas en distancias cortas de
transmisión
Velocidad de modulación hasta 200MHz