UNIVERSIDAD: Universidad de Aquino Bolivia.

CARRERA: Ingeniería en Telecomunicaciones.

MATERIA: Sistemas de Transmisión por Fibra Óptica.

NOMBRE DEL TEMA: Fuentes Ópticas.

FECHA: 28-04-2015.

NOMBRE: Diego Eduardo Laguna Farfán.

DOCENTE: Ing. Félix Pinto Macedo.

Fuentes Ópticas

1. Introducción.-

La fibra óptica es una delgada hebra de vidrio o silicio fundido que conduce la luz. Se requieren dos filamentos para una comunicación bi-direccional: TX y RX.

El grosor del filamento es comparable al grosor de un cabello humano, es decir, aproximadamente de 0,1 mm. En cada filamento de fibra óptica podemos apreciar 3 componentes:

La fuente de luz: LED o laser. el medio transmisor: fibra óptica. el detector de luz: fotodiodo.

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 la luz sea efectivamente inyectada o acoplada dentro de la fibra óptica.

2. Desarrollo.-

2.1. Generación de luz en fuentes ópticas.-La generación de luz en fuentes ópticas para uso en sistemas de comunicación por fibra óptica envuelve la transición de un electrón que está en un estado excitado (mayor nivel de energía) para un estado menos excitado (menor nivel de energía). Este tipo de generación es un proceso comúnmente llamado de proceso cuántico. La liberación de energía es realizada en la forma de fotones. El fotón es el menor valor de energía de un proceso cuántico. Sin embargo, la energía de un fotón depende de la longitud de onda de la radiación asociado al fotón. Dos tipos de transición son envueltas en los procesos de radiación: transición espontánea y transición estimulada.

La Forma simplificada en que un electrón emite un fotón de luz es la siguiente: Para ello una de las partículas libres que aparecen por la izquierda hace impacto con un electrón que se encuentra girando en su correspondiente órbita interna dentro de un átomo. El impacto provoca la excitación de ese electrón haciendo que abandone su órbita y pase a ocupar la siguiente, cuyo nivel de energía es superior por encontrarse más alejada del núcleo del átomo. La reacción inmediata del núcleo es atraerlo de nuevo y reintegrarlo a su órbita original. En el momento que eso ocurre, la energía extra que ha adquirido el electrón al ocupar por breves instantes un nivel superior de energía, la libera en forma de fotón de luz.

En un semiconductor, diversos procesos de recombinación de portadores de carga son posibles y son agrupados en dos grandes clases: recombinación no radiactiva y recombinación radiactiva. En la recombinación no radiactiva, la energía liberada por la recombinación de portadores de carga es liberada bajo la forma de calor. En el caso de la recombinación radiactiva, la energía es liberada bajo forma de fotones. Cuál de estos procesos va a ser el proceso dominante depende de las condiciones y del material semiconductor. La recombinación radiactiva puede generar luz a través de los procesos de emisión espontánea y emisión estimulada Los tipos de recombinación más importantes son: recombinación no-radiactiva de centros atractivos, recombinación no-radiactiva de Auger, recombinación radiactiva espontánea y recombinación radiactiva estimulada. La recombinación no-radiactiva de centros atractivos es el resultado de una transición envolviendo átomos de impurezas. Cuando se introduce átomos de impurezas en la red cristalina, se crean niveles de energía dentro de la zona prohibida, prójimos al bordillo de la banda de conducción o de la banda de valencia, capaces de provocar mayor conductividad. Existen, sin embargo, átomos de impurezas que no influencian tanto la conductividad, pero influencian los procesos de generación y recombinación de pares, siendo por eso llamados de centros de recombinación. Tales átomos presentan niveles de energía prójimos al centro de la zona

prohibida. El modelo de Shockley-Read-Hall describe la tasa de recombinación de este fenómeno, a través de la ecuación

Dónde: A es el coeficiente de recombinación no-radiactiva debido a los centros atractivos, en la orden de 1010 s-1 .

La recombinación no-radiactiva de Auger envuelve la dispersión de portadores entre diferentes bandas de energía. La tasa de recombinación de Auger puede ser escrita como:

Dónde: C es el coeficiente de recombinación Auger, en la orden de 1 la 3.10 -29

cm6s-1.

La recombinación radiactiva espontánea, también llamada de recombinación bimolecular, es proporcional al producto del número de portadores de carga en la banda de conducción y el número de portadores de carga, en la banda de valencia. La tasa de recombinación de este efecto es dado por:

Dónde: B es el coeficiente de recombinación radiactiva espontánea o bimolecular, en la orden de 10-10 cm3 s-1.

La tasa de recombinación total puede ser escrita como:

Podemos asociar una constante de tiempo tn (es decir, un tiempo medio de vida de los portadores de carga) a la tasa de recombinación R total, asumiendo que un exceso de portadores Dn = (n-n0), donde n0 es la densidad de portadores de equilibrio térmico, lleva un tiempo tn para se recombinar inmediatamente:

De esta definición podemos quitar que:

Para densidades de portadores de carga en la banda de 1018 cm-3, como requerida para operación de las fuentes ópticas, se tiene tiempo de vida medio de los portadores de carga, en la banda de nanosegundos. Tiempos de vida considerablemente menores que los discutidos arriba pueden ser obtenidos con dispositivos de pozos cuánticos, donde el espesor de la capa activa es de la orden de nanómetros, comparada con las varios centenares de nanómetros de los dispositivos de cuerpo, "bulk". La manera más eficiente de obtenerse recombinaciones radiactivas es a través del uso de semiconductores de banda prohibida directa, o sea la transición de un electrón de la banda de conducción para la banda de valencia es hecha directamente. Los semiconductores en que el fondo de la banda de conducción y el tope de la banda de valencia están alineados son llamados de semiconductores de banda prohibida directa. En este semiconductores, la recombinación radiactiva es más probable de ocurrir que la recombinación no-radiactiva y tense una buena eficiencia de conversión de corriente electrónica en luz. Ejemplos de esos semiconductores son los GaAs y el InP. Los semiconductores Ge y Sí son semiconductores de banda prohibida indirecta y el proceso de recombinación más probable en estos casos es por emisión de fonones (vibraciones de la red). Los procesos de recombinaciones radiactivas ocurren en general en la región de la unión PN. Sin embargo, debido las dimensiones de esta región, el proceso es muy poco eficiente. Un modo de mejorar la eficiencia es utilizar heterouniones. La heterounión es realizada por adición de una interfaz entre dos cristales semiconductores de energías de gap diferentes. Dispositivos basados en este tipo de estructura son llamados de heteroestructuras. El uso de heterouniones causa un confinamiento de portadores de carga en la región activa. Generalmente, la región activa tiene un mayor índice de refracción que las demasiadas regiones. Esto causa un confinamiento de los fotones generados en la región. La mayoría de los dispositivos emisores de luz hechos actualmente para uso en sistemas de comunicación por fibra óptica es formada por una doble heterouniones.

2.2. Conversión Eléctrica - Óptica.-Para transmitir información mediante señales luminosas a través de un conductor (fibra óptica) se requiere que en el punto emisor y receptor existan elementos para convertir las señales eléctricas en ópticas y viceversa.

En el extremo emisor la intensidad de una fuente luminosa se modula mediante una señal eléctrica y en el extremo receptor, la señal óptica se convierte en una señal eléctrica.

Para este proceso de conversión se utilizan las propiedades de los materiales semiconductores los cuales poseen dos bandas de energía, banda de valencia (nivel bajo de energía) y banda de conducción (nivel alto de energía) separadas por una distancia de energía.

Un fotón (quantum de energía) tiene una energía:

h = constante de Plank

γ = Frecuencia del fotón

λ = longitud de onda

V= velocidad de la luz en el medio

En el semiconductor para pasar un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción, existe energía absorbida por incidencia de un fotón. Proceso inverso se realiza para liberar fotones.

E=EC - EV

Dónde:

EC energía de un electrón, cuando se encuentra en la banda de conducción.

EV energía de un electrón, cuando se encuentra en la banda de valencia.

Cuando se libera un fotón se lo puede hacer de dos maneras: espontánea o estimulada.

En la emisión espontánea no existe ningún medio externo que induzca al electrón pasar de la banda de conducción a la banda de valencia. En la emisión estimulada un fotón induce a que el electrón pase a su estado de reposo, liberando un fotón, en cuyo caso se dice que existe amplificación, si además existe retroalimentación y un elemento de selectividad, se logrará tener emisiones coherentes (mediante espejos).

2.3. Fuentes Ópticas.-Las fuentes ópticas se precisan para convertir las señales eléctricas en ópticas y actúan como transductores electro-ópticos en los extremos de transmisión. Las fuentes ópticas han de ser pequeñas y de bajo consumo pero capaces de ser moduladas a altas velocidades y de buena estabilidad con la temperatura, alta pureza espectral y capaces de generar la mayor potencia posible. Las fuentes más comúnmente utilizadas son el LED y el LÁSER.

2.4. Tipos de Fuentes Ópticas.-Tenemos dos tipos de fuentes ópticas las cuales son:

2.4.1. LED (Diodo Emisor de Luz).-El LED es una fuente óptica que genera luz utilizando el principio de la emisión espontánea. Generalmente los LEDs que emiten en el visible son hechos de semiconductores de banda prohibida indirecta. Estos LEDs no son usuales para uso en sistemas de comunicación por fibra óptica. Para las comunicaciones ópticas se utilizan de dos tipos de estructuras, basadas en como la luz es recolectada; LEDs del tipo Burrus, o LEDs de emisión superficiales y LED por emisión lateral. El LED tipo Burrus tiene su salida en la región donde la luz tiene gran área de salida. Este tipo de LED es en general proyectado para acoplar su luz directamente en una fibra óptica. La estructura del LED de emisión lateral es similar a la estructura del láser; el área activa esta entre dos materiales semiconductores de mayor banda prohibida de energía, formando heterouniones y con mayores índices de refracción. Uno modelo matemático del LED para analizar suyo funcionamiento puede ser obtenido a partir de las ecuaciones de tasa, que es un modelo fenomenológico (heurística) del funcionamiento del dispositivo, o sea:

 La variación de portadores de carga, N(t), en la región de generación de luz de un LED es dada por la diferencia entre los portadores de carga, introducidos por la corriente electrónica inyectada, I(t), en el LED, y los portadores de carga perdidos por las recombinaciones radiactivas y recombinaciones no radiactivas en esta región. Matemáticamente tense:

 

Donde N(t) es el número de portadores de carga en la región de generación de luz, I(t) es la corriente electrónica inyectada, tr es el tiempo de vida de los portadores de carga, debido las recombinaciones radiactivas espontáneas ,y, tnr es el tiempo de vida de los portadores de carga, debido las recombinaciones no radiactivas, q es la carga electrónica (1.60218x10-18 C), y V es el volumen de la región de generación de luz. Generalmente, los tiempos de recombinación radiactiva y no radiactiva dependen de la densidad de portadores de carga, N(t).

Es un emisor de baja potencia y precio relativamente económico que se utiliza para cortas y medias distancias. En general, se utiliza en primera ventana (850nm) y segunda ventana (1300 nm) en fibras multimodo.

Existen tres tipos básicos de LED para sistemas de comunicaciones ópticas los cuales son:

2.4.1.1. LED de emisión superficial (SLED).- Un tipo importante de LED es el de emisión superficial desarrollado por primera vez por Burrus y Dawson en 1970 y cuyo esquema es el siguiente:

Los SLED son diodos que emiten por una de sus caras, p o n. Los más conocidos son los de tipo Burrus, llamados así en honor de C.A. Burrus, que fue quien los desarrolló. Existe otra variedad llamada plana, que se diferencia básicamente en la estructura,Tanto en uno como en otro caso, el tamaño de la región activa de emisión se limita a una zona circular de 20–50 µm, en el centro de la cara. Para mejorar la eficiencia, se adelgaza la parte de la cara de emisión situada sobre la región activa, ya sea por ataque químico (Burrus) o por construcción. Sobre el hueco practicado se suele fijar una fibra óptica con un adhesivo de tipo epoxi, de modo que la fibra queda situada perpendicularmente a la zona activa. Además de garantizar un acoplamiento óptimo de la luz, el adhesivo permite emparejar los índices de refracción reduciendo la reflexión Fresnel de las caras.

2.4.1.2. LED de emisión lateral (ELED).-

Los LEDs de emisión lateral o de borde (edge-emitting LEDs o ELED) surgieron como desarrollo posterior ante la demanda de fuentes que pudiesen alcanzar mayor distancia, a mayor longitud de onda y con mayor tasa binaria.

En los ELED, la región activa es una tira estrecha que se crea bajo la superficie del sustrato. Éste se corta o se pule de manera que la tira alcanza los dos extremos del dispositivo. Se emplea una doble heteroestructura con los mismos fines que en los SLED, y además como guia de onda, haciendo el índice de la zona activa superior al de las dos zonas inmediatas. También se confina lateralmente. La faceta trasera se suele tallar o recubrir para hacerla reflectante, mientras que la delantera, por donde se produce la salida del haz de luz, se

recubre de un material antirreflexivo. De este modo se optimiza la salida a un solo borde.

Los ELED son capaces de acoplar mayor porcentaje de potencia que los SLED a fibras con baja apertura numérica. En algunas aplicaciones se utilizan asociados a fibras monomodo. El rango espectral de la emisión es asimismo más estrecho en los ELED. Como contrapartida, los ELED son más sensibles a los cambios de temperatura que los SLED.

2.4.1.3. LED súper radiantes (SLD).-

Los LEDs súper radiantes o súper luminiscentes (SLD) son ELED que funcionan a un alto régimen de inyección de corriente. El fenómeno de la súper luminiscencia (obtención de más de un fotón en promedio por cada recombinación espontánea) aparece cuando los fotones producidos por emisión espontánea experimentan ganancia por emisión estimulada debida a la alta concentración de pares e --h+

existentes en cada momento. La salida de un SLD procede de esta amplificación de la emisión espontánea (ASE) y como consecuencia es parcialmente coherente.

Los SLD son dispositivos intermedios entre los LED convencionales y los láseres. Presentan una anchura espectral menor que los primeros y mayor que los segundos. Su geometría se aproxima a los LDs, pero carecen de un mecanismo eficiente de realimentación óptica necesario para conseguir alta coherencia (llevan una capa anti reflexiva para destruir la cavidad Fabry-Perot).

Cuando se ataca un SLD con baja intensidad, su funcionamiento es semejante al de un ELED. A medida que se incrementa el nivel de corriente, comienza a actuar el fenómeno de la súper luminiscencia, y la potencia óptica aumenta de forma no lineal a la vez que se reduce la anchura espectral.

Las ventajas principales de los SLD son su mayor potencia acoplada, mayor ancho de banda y menor anchura espectral. Por el contrario, la respuesta no lineal corriente-potencia óptica supone una desventaja, además de su alta sensibilidad a la temperatura, menor fiabilidad y alto precio.

2.4.2. Diodo Laser.-Láser es el acrónimo de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. La emisión estimulada se produce cuando el diodo semiconductor es bombeado con fotones. Al pasar un fotón por el medio se genera otro fotón que tiene la misma frecuencia, fase y dirección que el primero. La luz generada es coherente y está focalizada.

La emisión estimulada no es un fenómeno que se produzca en equilibrio. Por eso hay que bombear el material con corriente eléctrica. Para que los fotones no se escapen del LD (excepto una cantidad que irá a la fibra) y puedan estimular nuevos fotones, se utilizan caras reflectantes en los bordes del LD.

Para que haya emisión láser tienen que cumplirse dos condiciones:

Condición de ganancia: Tiene que haber, como mínimo, tantas ganancias como pérdidas.

Condición de fase: No se puede transmitir con cualquier longitud de onda. Estos modos de transmisión dependen de las dimensiones del LD.

La combinación de estas dos condiciones determina los modos o longitudes de onda con los que transmite un LD. Un láser puede ser:

Monomodo: Sólo transmite en un modo.

Multimodo: Transmite en más de un modo.

Existen cuatro tipos de diodos laser para sistemas de comunicaciones ópticas los cuales son:

2.4.2.1. Fabry Perot.-En la estructura del láser Fabry Perot la luz es reflejada y vuelta a reflejar entre dos espejos a ambos lados de un semiconductor. El material y los dos espejos forman una cavidad resonante que determina la longitud de onda. La luz emitida tiene muchos componentes espectrales y la energía se dispersa.

Tiene cierta inestabilidad en la potencia de salida que se traduce como ruido y se utiliza para la transmisión de datos en el retorno.

2.4.2.2. VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser).-Láser de emisión superficial con cavidad vertical, es un diodo semiconductor que emite luz en un haz cilíndrico vertical de la superficie, y ofrece ventajas significativas cuando se compara con láser de emisión lateral comúnmente usado en la mayoría de comunicaciones por fibra óptica.

Los VCSELs pueden ser construidos con GaAs, InGaAs.

2.4.2.3. DFB- Distributed FeedBack Laser.-Un láser de retroalimentación distribuida (DFB) es un tipo de láser de diodo, láser de cascada cuántica en el cuál la rejilla está distribuida a lo largo de todo el medio activo. La longitud de onda de la rejilla determina la longitud de onda emitida por el láser. Este láser emite radiación en una línea espectral muy estrecha.

2.4.2.4. DBR (Didtributed Bragg Reflector).-Un reflector de Bragg distribuido (DBR) es un reflector utilizado en guías de ondas , tales como fibras ópticas . Es una estructura formada a partir de múltiples capas de alternancia de materiales con diferentes índice de refracción. Cada capa límite provoca una reflexión parcial de una onda óptica. .La gama de longitudes de onda que son reflejadas se llama la fotónica banda rechazada 

En este dispositivo la red de difracción esta fuera de la zona activa, en donde no circula corriente (parte pasiva de la cavidad).

2.5. Diferencias.-

LASER LED

*Más rápido *Mayor estabilidad térmica

*Potencia de salida mayor *Menor potencia de salida, mayor tiempo de vida

*Emisión coherente de luz *Emisión incoherente

*Construcción es más compleja *Más económico

*Actúan como fuente s adecuadas en sistemas de telecomunicaciones

*Se acoplan a fibras ópticas en distancias cortas de transmisión

*Modulación a altas velocidades, hasta GHz

*Velocidad de modulación hasta 200MHz

 

Tipo de dispositivo

Longitud de onda (nm)

Potencia dentro de la fibra (dBm)

Ancho de banda

Tipo de fibra

LED 850, 1300 -30 a -10 <250 MHz multimodoLáser Fabry-Perot

850,1310 (1280-1330), 1550 (1480-1650)

0 a +10 >10 GHz multimodo, monomodo

Láser DFB 1550 (1480-1650)

0 a + 13

(+25 con amplificador óptico)

>10 GHz monomodo

VCSEL 850 -10 a 0 >10 GHz multimodo

  

Tipo de enlace Fibra Tipo de fuente

Longitud de onda (nm)

Potencia de transmisión (dBm)

Sensibilidad del receptor (dBm)

Margen del enlace (dB)

Transmisión de voz monomodo Láser 1310/1550 +3 a -6 -30 a -45 30 a 40

monomodo DWDM 1550 +20 a 0 -30 a -45 40 a 50

Transmisión de datos multimodo

LED/

VCSEL850 -3 a -15 -15 a -30 3 a 25

multimodo o monomodo Láser 1310 -0 a -20 -15 a -30 10 a 25

CATV(AM) monomodo Láser 1310/1550 +10 a 0 0 a -10 10 a 20

3. Conclusiones.-

Al ver cómo está conformado, los tipos y cómo funcionan las fuentes ópticas vemos que son indispensables para el uso de la fibra óptica donde su función es convertir la energía eléctrica en energía óptica, de manera eficiente de modo que permita que la salida de la luz sea efectivamente inyectada o acoplada dentro de la fibra óptica.

3.1 Datasheets.-

4. Bibliografía.-1. https://prezi.com/2aee9tomsg7n/fuentes-opticas/

2. http://platea.pntic.mec.es/~lmarti2/optral/cap2/fibra-8.htm#inicio

3. http://www.dsif.fee.unicamp.br/~moschim/cursos/simulation/transmissor/fuentesopticas.htm

4. https://www.jasp.net/optics/fuentes.xhtml#introduccion

5. http://neo.lcc.uma.es/evirtual/cdd/tutorial/fisico/fibra.html

6. http://www.textoscientificos.com/redes/fibraoptica/conversion

7. http://www.electronicafacil.net/tutoriales/Diodo-Laser.php

8. http://www.thefoa.org/ESP/Sistemas.htm