FSICA DE LOS SEMICONDUCTORES

Los semiconductores constituyen son los materiales slidos clave en la fabricacin de dispositivos electrnicos. Sus propiedades, los han convertido en el elemento fundamental para el desarrollo de la informtica, los electrodomsticos y las telecomunicaciones.

La fsica de los semiconductores es un conjunto de teoras y modelos que explican el comportamiento de los semiconductores bajo diversas condiciones

MODELO DE LAS BANDAS DE ENERGA

El modelo de bandas permite explicar con una excelente aproximacin el fenmeno de la conduccin elctrica en los slidos. Segn este modelo, la materia est constituida por tomos, cuyos electrones se distribuyen en bandas de energa. La banda ms externa con electrones es la banda de valencia (Ev). Para que un electrn escape de la atraccin del ncleo, es necesario que adquiera la energa suficiente (Eg) que le permita saltar a la banda de conduccin (Ec). Por lo tanto: Eg = Ec Ev. El espacio intermedio entre la banda de valencia y la de conduccin se denomina banda prohibida, y representa valores de energa que no pueden tener los electrones.

BANDA DE ENERGA

Los niveles de energa de los electrones en los tomos de un cristal no coinciden con los niveles de energa de los electrones para tomos aislados. En un gas, por ejemplo, se pueden despreciar las interacciones de unos tomos con otros y los niveles de energa no se ven modificados. Sin embargo, en un cristal el campo elctrico producido por los electrones de los tomos vecinos modifica los niveles energticos de los electrones de los tomos de sus alrededores.De este modo el cristal se transforma en un sistema electrnico que obedece al principio de exclusin de Pauli, que imposibilita la existencia de dos electrones en el mismo estado, transformndose los niveles discretos de energa enbandas de energadonde la separacin entre niveles energticos se hace muy pequea. La diferencia de energa mxima y mnima es variable dependiendo de la distancia entre tomos y de su configuracin electrnica. Dependiendo de la distancia interatmica y del nmero de electrones de enlace entre otros factores, pueden formarse distintos conjuntos de bandas que pueden estar llenas, vacas o separaciones entre bandas por zonas prohibidas o bandas prohibidas, formndose asbandas de valencia,bandas de conduccinybandas prohibidas. Labanda de valencia(BV): est ocupada por loselectrones de valenciade los tomos, es decir, aquellos electrones que se encuentran en la ltima capa o nivel energtico de los tomos. Los electrones de valencia son los que forman los enlaces entre los tomos, pero no intervienen en la conduccin elctrica. Labanda de conduccin(BC): est ocupada por loselectrones libres, es decir, aquellos que se han desligado de sus tomos y pueden moverse fcilmente. Estos electrones son los responsables de conducir la corriente elctrica.Entre la banda de valencia y la de conduccin existe una zona denominadabanda prohibidaogap, que separa ambas bandas y en la cual no pueden encontrarse los electrones.

AISLANTES, CONDUCTORES Y SEMICONDUCTORES

Segn el modelo de las bandas de energa, los slidos se clasifican en: aislantes, metales y semiconductores.

En un buen aislante, la banda prohibida es muy ancha. Por lo tanto, es necesario suministrar una gran cantidad de energa para que sus electrones salten de la banda de valencia a la de conduccin y contribuyan as a la conduccin de corriente elctrica.

En un buen metal, las bandas de conduccin y de valencia se solapan. Por lo tanto, se necesita muy poca energa para mantener una conduccin de corriente elctrica elevada.Existen algunos slidos como el silicio y el germanio que tienen una estructura de bandas semejante a la de los aislantes. Sin embargo, en ellos la banda prohibida es estrecha, de modo que es posible excitar (por ejemplo, por efecto trmico) los electrones con mayor energa de la banda de valencia y transferirlos a la de conduccin.Por lo tanto, en el caso de un semiconductor se puede hablar tanto de una conduccin por los electrones en la banda de conduccin, como de conduccin por los huecos que se generan en la banda valencia y que se comportan como cargas positivas. El hecho de que su banda prohibida sea estrecha (Eg 1eV) permite bombear electrones a la banda de conduccin sin ms que elevar suficientemente la temperatura.

SEMICONDUCTORES INTRNSECOS

Un semiconductor intrnseco es un semiconductor puro cuya estructura cristalina est formada exclusivamente por tomos del propio semiconductor, sin que est incrustado en ella ningn tomo de otro material, es decir, no contiene impurezas de ningn tipo. Cada tomo tiene 4 electrones de valencia que comparte con cada uno de los tomos vecinos mediante la formacin de enlaces covalentes. A continuacin se analiza el semiconductor intrnseco en funcin de la temperatura (T):

A T = 0K, todos los electrones de la banda de valencia estn formando enlaces covalentes entre los tomos, por lo que no existen electrones libres en la banda de conduccin. El cristal se comporta como un aislante perfecto.

Si T , se produce el movimiento aleatorio por agitacin trmica. No obstante, este fenmeno todava no proporciona la suficiente energa como para romper los enlaces covalentes y hacer que los electrones salten de la banda de valencia a la de conduccin.

A T = 300K (temperatura ambiente), algunos electrones pueden, absorbiendo la energa necesaria (1.12eV para el silicio y 0.67eV para el germanio), romper los enlaces covalentes y saltar a la banda de conduccin, dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia (1). A este fenmeno se le denomina creacin de pares e--h+. Obviamente el proceso inverso tambin se produce, de modo que los electrones pueden caer desde la banda de conduccin a un hueco en la banda de valencia, liberando energa. A este fenmeno, se le denomina recombinacin de pares e--h+. Adems, electrones ligados de otros enlaces covalentes pueden saltar a los huecos que se encuentran en los enlaces covalentes incompletos (2), sin que este proceso contribuya a la recombinacin de pares e--h+.

Si T > 300K, aumenta el nmero de enlaces covalentes rotos y con ello la concentracin de electrones libres y huecos.

Siendo n la concentracin de electrones y p la concentracin de huecos, se cumple que:

ni = n = p con ni = f(T)

ni concentracin intrnseca del semiconductor.

Cuando T = 300K, se dice que el semiconductor se encuentra en equilibrio termodinmico. En esta situacin, no existe movimiento neto de portadores, por lo que la corriente total es nula.

y

El semiconductor en equilibrio proporciona un marco de referencia para el estudio de fenmenos ms complejos que ocurren cuando el semiconductor sale de dicho equilibrio, como el movimiento de portadores para la conduccin de corriente.

Es importante destacar que un semiconductor intrnseco tiene carcter bipolar, puesto que la conduccin de corriente puede provenir de dos tipos de portadores o cargas mviles: electrones y huecos.

SEMICONDUCTORES EXTRNSECOS

Los semiconductores intrnsecos no presentan propiedades prcticas, por esto se les aaden impurezas para alterar la probabilidad de ocupacin de las bandas de energa, y por lo tanto, aumentar la conductividad de los mismos.

Si a un semiconductor intrnseco se le aade un pequeo porcentaje de impurezas, el semiconductor se denomina extrnseco y se dice que est dopado. Evidentemente, las impurezas debern formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente tomo de silicio o germanio.

Las impurezas utilizadas en un semiconductor extrnseco pueden ser:

Pentavalentes: impurezas con cinco electrones en la ltima capa. Son impurezas pentavalentes: fsforo, arsnico, antimonio, etc.

Trivalentes: impurezas con tres electrones en la ltima capa. Son impurezas trivalentes: aluminio, indio, galio, etc.

SEMICONDUCTORES EXTRNSECOS DE TIPO N

En un cristal de silicio o de germanio dopado con impurezas pentavalentes, al formarse la estructura cristalina, el quinto electrn no est ligado en ningn enlace covalente, encontrndose, an sin estar libre, en un nivel energtico superior a los cuatro restantes.

A continuacin, se analiza el un semiconductor extrnseco, dopado con ND impurezas donadoras, en funcin de la temperatura (T):

A T = 0K, todos los electrones de la banda de valencia estn formando enlaces covalentes entre los tomos. El quinto electrn de las impurezas se encuentra ligado al tomo. No existen electrones libres en la banda de conduccin. El cristal se comporta como un aislante perfecto.

Si T , aparece el movimiento aleatorio por agitacin trmica. Este fenmeno todava no proporciona la suficiente energa como para romper los enlaces covalentes y hacer que los electrones salten de la banda de valencia a la de conduccin; en cambio, s que proporciona la energa suficiente como para arrancar el quinto electrn de algunas impurezas, convirtindose en un electrn libre. Las impurezas empiezan a ionizarse: ND+

A T = 300K (temperatura ambiente), todas las impurezas se encuentra ionizadas: ND+ = ND. Adems, los electrones de los enlaces covalentes pueden, absorbiendo la energa necesaria, romper dichos enlaces y saltar a la banda de conduccin, dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia (1). Se producen los fenmenos de creacin y recombinacin de pares e--h+. Adems, electrones ligados de otros enlaces covalentes pueden saltar a los huecos que se encuentran en los enlaces covalentes incompletos.

Si T > 300K, al estar ionizadas todas las impurezas, slo aumenta el nmero de enlaces covalentes rotos, y con ello la concentracin de electrones libres y huecos. Por lo tanto, a altas temperaturas, el semiconductor extrnseco se comporta como un semiconductor intrnseco.

En resumen, se observa que adems de la formacin de pares e--h+, se liberan tambin los electrones no enlazados, ya que la energa necesaria para liberar el electrn excedente es del orden de la centsima parte de la correspondiente a los electrones de los enlaces covalentes (0.01eV para el germanio y 0.05eV para el silicio).

n concentracin de electrones libres ND+ + pND+ concentracin de impurezas ionizadasp concentracin de huecos debido a la rotura de enlaces covalentes

As, en el semiconductor aparecer una mayor cantidad de electrones que de huecos; por ello se dice que los electrones son los portadores mayoritarios de la corriente y puesto que este excedente de electrones procede de las impurezas pentavalentes, a stas se las llama donadoras, y el semiconductor se caracteriza como de tipo N.

El cristal sigue siendo elctricamente neutro, ya que al desprenderse un electrn de una impureza, sta se convierte en un in positivo. La concentracin de iones negativos (ND+) no contribuye a llevar corriente elctrica.

SEMICONDUCTORES EXTRNSECOS DE TIPO P

En cambio, en un cristal de silicio o de germanio dopado con elementos trivalentes las impurezas aportan un hueco (enlace covalente incompleto), por lo que se las denomina impurezas aceptadoras, y el semiconductor se caracteriza como de tipo P.

A continuacin, se analiza el comportamiento de un semiconductor extrnseco, dopado con NA impurezas aceptadoras, en funcin de la temperatura (T):

A T = 0K, todos los electrones de la banda de valencia estn formando enlaces covalentes entre los tomos. No existen electrones libres en la banda de conduccin. El hueco de las impurezas se encuentra vaco. Aislante perfecto.

Si T , aparece el movimiento aleatorio por agitacin trmica. Este fenmeno todava no proporciona la suficiente energa como para romper los enlaces covalentes y hacer que los electrones salten de la banda de valencia a la de conduccin; en cambio, s que proporciona la energa suficiente como que electrones ligados de otros enlaces covalentes se pasen a los enlaces covalentes incompletos de las impurezas. Las impurezas empiezan a ionizarse: NA-

A T = 300K (Ta), todas las impurezas se encuentra ionizadas: NA- = NA. Adems, los electrones de los enlaces covalentes pueden, absorbiendo la energa de ionizacin, romper los enlaces covalentes y saltar a la banda de conduccin, dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia (1). Se producen los fenmenos de creacin y recombinacin de pares e--h+. Adems, electrones ligados de otros enlaces covalentes pueden saltar a los huecos que se encuentran en los enlaces covalentes incompletos de los tomos afectados por el proceso de creacin de pares e--h+.

Si T > 300K, al estar ionizadas todas las impurezas, slo aumenta el nmero de enlaces covalentes rotos, y con ello la concentracin de electrones libres y huecos. Por lo tanto, a altas temperaturas, el semiconductor extrnseco se comporta como un semiconductor intrnseco.

En resumen, el hueco introducido por la impureza no es como el formado antes con el salto de un electrn, si no que tiene un nivel energtico ligeramente superior al de la banda de valencia (del orden de 0.01eV). En este caso, los electrones ligados de otros enlaces covalentes saltarn a las vacantes con facilidad dejando huecos en la banda de valencia en mayor nmero que electrones en la banda de conduccin, de modo que ahora son los huecos los portadores mayoritarios y los electrones los portadores minoritarios.

p concentracin de electrones libres NA- + nNA- concentracin de impurezas ionizadasn concentracin de electrones libres debido a la rotura de enlaces covalentes

Al igual que en el caso anterior, el cristal sigue siendo elctricamente neutro, ya que al incorporarse un electrn a la impureza, sta se convierte en un in negativo. La concentracin de iones negativos (NA-) no contribuye a llevar corriente elctrica.DIODOS EMISORES DE LUZ

El LED es una fuente ptica que genera luz utilizando el principio de la emisin espontnea. 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 comunicacin por fibra ptica. Para las comunicaciones pticas se utilizan de dos tipos de estructuras, basadas en como la luz es recolectada; LEDs del tipo Burrus, o LEDs de emisin superficiales y LED por emisin lateral. El LED tipo Burrus tiene su salida en la regin donde la luz tiene gran rea de salida. Este tipo de LED es en general proyectado para acoplar su luz directamente en una fibra ptica. La estructura del LED de emisin lateral es similar a la estructura del lser; el rea activa esta entre dos materiales semiconductores de mayor banda prohibida de energa, formando heterojunctiones y con mayores ndices de refraccin. Uno modelo matemtico del LED para analizar suyo funcionamiento puede ser obtenido a partir de las ecuaciones de tasa, que es un modelo fenomenolgico (heurstica) del funcionamiento del dispositivo, o sea:La variacin de portadores de carga, N(t), en la regin de generacin de luz de un LED es dada por la diferencia entre los portadores de carga, introducidos por la corriente electrnica inyectada, I(t), en el LED, y los portadores de carga perdidos por las recombinaciones radiactivas y recombinaciones no radiactivas en esta regin. Matemticamente tense:Donde N(t) es el nmero de portadores de carga en la regin de generacin de luz, I(t) es la corriente electrnica inyectada,tres el tiempo de vida de los portadores de carga, debido las recombinaciones radiactivas espontneas ,y,tnres el tiempo de vida de los portadores de carga, debido las recombinaciones no radiactivas, q es la carga electrnica (1.60218x10-18C), y V es el volumen de la regin de generacin de luz. Generalmente, los tiempos de recombinacin radiactiva y no radiactiva dependen de la densidad de portadores decarga, N(t).

ESTRUCTURA DEL LED

1.- Extremo superior abovedado de la cpsula de resina epoxi, que hace tambin funcin de lente convexa. La existencia de esta lente permite concentrar el haz de luz que emite el chip y proyectarlo en una sola direccin. 2.- Cpsula de resina epoxi protectora del chip. 3.- Chip o diodo semiconductor emisor de luz. 4.- Copa reflectora. En el interior de esta copa se aloja el chip emisor de luz. 5.- Base redonda de la cpsula de resina epoxi. Esta base posee una marca plana situada junto a uno de los dos alambres de conexin del LED al circuito externo, que sirve para identificar el terminal negativo () correspondiente al ctodo del chip. 6.- Alambre terminal negativo () de conexin a un circuito elctrico o electrnico externo. En un LED nuevo este terminal se identifica a simple vista, porque siempre es ms corto que el terminal positivo. 7.- Alambre terminal positivo (+) correspondiente al nodo del chip del diodo, que se utiliza para conectarlo al circuito externo. 8.- Alambre muy delgado de oro, conectado internamente con el terminal positivo (+) y con el nodo del chip.

Existen dos tipos de estructura basados en la forma de colectar la luz que emana de la regin activa: LED de emisin superficial (BURRUS) Tiene eficiencia cuntica mayor Tamao comparable con el de la fibra LED de emisin lateral La intensidad de salida es mayor y el ancho del haz es menor Medidas son de 10X300m Ambos tipos pueden ser de uniones simples p-n o heteroestructuras

Existendiodos LEDde varioscoloresque dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, mbar, infrarrojo, entre otros.LED rojo:Formado por GaP consiste en una unin p-n obtenida por elmtodode crecimiento epitaxial del cristal en su fase lquida, en un substrato.La fuente luminosa est formada por una capa de cristal p junto con un complejo de ZnO, cuya mxima concentracin est limitada, por lo que su luminosidad se satura a altas densidades decorriente. Este tipo de LED funciona con baja densidades de corriente ofreciendo una buena luminosidad, utilizndose como dispositivo de visualizacin en equipos porttiles. El constituido por GaAsP consiste en una capa p obtenida por difusin de Zn durante el crecimiento de un cristal n de GaAsP, formado en un substrato de GaAs, por el mtodo de crecimiento epitaxial en fase gaseosa.Actualmente se emplea los LED de GaAlAs debido a su mayor luminosidad.El mximo deradiacinse halla en la longitud de onda 660 nm.LED anaranjado y amarillo:Estn compuestos por GaAsP al igual que sus hermanos los rojos pero en este caso para conseguir luz anaranjada y amarilla as como luz de longitud de onda ms pequea, lo que hacemos es ampliar el ancho de la "banda prohibida" mediante elaumentode fsforo en el semiconductor. Su fabricacin es la misma que se utiliza para los diodos rojos, por crecimiento epitaxial del cristal en fase gaseosa, la formacin de la unin p-n se realiza por difusin de Zn.Como novedad importante en estos LED se mezcla el rea emisora con una trampa isoelectrnica de nitrgeno con el fin de mejorar el rendimiento.LED verde:El LED verde est compuesto por GaP. Se utiliza elmtodode crecimiento epitaxial del cristal en fase lquida para formar la unin p-n.Al igual que los LED amarillos, tambin se utiliza una trampa isoelctrica de nitrgeno para mejorar el rendimiento. Debido a que este tipo de LED posee una bajaprobabilidadde transicin fotnica, es importante mejorar la cristalinidad de la capa n. La disminucin de impurezas a larga la vida de los portadores, mejorando la cristalinidad. Su mxima emisin se consigue en la longitud de onda 555 nm.MATERIALES PARA FUENTES DE LUZEn corriente continua (CC), todos los diodos emiten cierta cantidad de radiacin cuando los pares electrn-hueco se recombinan; es decir, cuando los electrones caen desde la banda de conduccin (de mayor energa) a la banda de valencia (de menor energa) emitiendo fotones en el proceso. Indudablemente, por ende, su color depender de la altura de la banda prohibida (diferencias de energa entre las bandas de conduccin y valencia), es decir, de los materiales empleados. Los diodos convencionales, de silicio o germanio, emiten radiacin infrarroja muy alejada del espectro visible. Sin embargo, con materiales especiales pueden conseguirse longitudes de onda visibles. Los leds e IRED (diodos infrarrojos), adems, tienen geometras especiales para evitar que la radiacin emitida sea reabsorbida por el material circundante del propio diodo, lo que sucede en los convencionales.Compuestos empleados en la construccin de leds

Los primeros leds construidos fueron los diodos infrarrojos y de color rojo, permitiendo el desarrollo tecnolgico posterior la construccin de diodos para longitudes de onda cada vez menores. En particular, los diodos azules fueron desarrollados a finales de los aos noventa por ShujiNakamura, aadindose a los rojos y verdes desarrollados con anterioridad, lo que permiti por combinacin de los mismos la obtencin de luz blanca. El diodo de seleniuro de cinc puede emitir tambin luz blanca si se mezcla la luz azul que emite con la roja y verde creada por fotoluminiscencia. La ms reciente innovacin en el mbito de la tecnologa led son los leds ultravioleta, que se han empleado con xito en la produccin de luz negra para iluminar materiales fluorescentes. Tanto los leds azules como los ultravioletas son caros respecto a los ms comunes (rojo, verde, amarillo e infrarrojo), siendo por ello menos empleados en las aplicaciones comerciales.Los leds comerciales tpicos estn diseados para potencias del orden de los 30 a 60 mW. En torno a 1999 se introdujeron en el mercado diodos capaces de trabajar con potencias de 1 vatio para uso continuo; estos diodos tienen matrices semiconductoras de dimensiones mucho mayores para poder soportar tales potencias e incorporan aletas metlicas para disipar el calor (vase conveccin) generado por el efecto Joule.Hoy en da se estn desarrollando y empezando a comercializar leds con prestaciones muy superiores a las de hace unos aos y con un futuro prometedor en diversos campos, incluso en aplicaciones generales de iluminacin. Como ejemplo, se puede destacar que NichiaCorporation ha desarrollado leds de luz blanca con una eficiencia luminosa de 150 lm/W utilizando para ello una corriente de polarizacin directa de 20 miliamperios (mA). Esta eficiencia, comparada con otras fuentes de luz solamente en trminos de rendimiento, es aproximadamente 1,7 veces superior a la de la lmpara fluorescente con prestaciones de color altas (90 lm/W) y aproximadamente 11,5 veces la de una lmpara incandescente (13 lm/W). Su eficiencia es incluso ms alta que la de la lmpara de vapor de sodio de alta presin (132 lm/W), que est considerada como una de las fuentes de luz ms eficientes.MATERIALES

Eg debe ser apto para generar luz a determinada longitud de onda. Indice de refraccin y coeficiente de recombinacin GaAs, GaP, InAs, Inp, elementos de la tabla peridica de los grupos III y V

EFICIENCIA CUNTICA Y POTENCIA DE LOS LEDSLa eficiencia cuntica interna de un LED se define como la fraccin de pares electrn-hueco que se recombinan emitiendo radiacin ptica. sta se calcula mediante la expresin:

Donde R ry Rnrson respectivamente las razones de recombinacin radiactivas y no-radiactivas. Esto puede expresarse en funcin del tiempo total de recombinacin y el tiempo de recombinacin radiactiva de la forma:

Donde el tiempo total de recombinacin es:

La potencia interna generada en el LED en funcin de la corriente inyectada al dispositivo (I) est dada por:

Donde q es la carga del electrn y es la longitud de emisin pico. La eficiencia externa se calcula considerando que no todos los fotones generados saldrn del dispositivo. Para esto se consideran los efectos de reflexin en la superficie del LED (interfase). Esto se simplifica considerando nicamente los fotones con ngulo de incidencia normal a la interfase con lo que se utiliza el valor del coeficiente de transmisividad de Fresnel. Considerando que el medio externo es aire (n=1), la eficiencia externa est dada por:

Donde n es el ndice de refraccin del material semiconductor. De aqu, la potencia de emisin del LED puede obtenerse mediante:

La sensibilidad o responsividad (responsivity) de un LED es la razn de poder emitido (P) a corriente inyectada (I). Generalmente se expresa en unidades de W/A, y cuando la longitud de onda se expresa en micrmetros puede calcularse como:

La potencia de salida es proporcional a la corriente inyectada en un intervalo limitado por la saturacin del dispositivo. El ancho espectral de la emisin (en m) puede calcularse como:

Donde kBT est dado en eV y la longitud de onda en m (1.24eV=1.99x10-19J).MODULACIN PTICALa modulacin ptica puede ser directa, donde la fuente de luz es modulada directamente por una inyeccin de corriente electrnica, proveniente del circuito driver, o ella puede ser una modulacin externa, donde la luz es primera generada por la fuente ptica y despus a travs de un modulador externo es modulada. En este caso es posible, pero no usual, modular, adems de la amplitud, la fase, la frecuencia o la polarizacin de la seal ptica. La ventaja de la modulacin externa es la posibilidad de minimizar el efecto de lo chirp de la seal ptica, caractersticos das seales pticas moduladas directamente. Sin embargo, la mayora de los sistemas de comunicacin por fibras pticas comercializados actualmente utiliza la modulacin directa, debido a su simplicidad y bajo costo. Estos sistemas son llamados de sistemas del tipo IM o sea, la potencia ptica emitida por la fuente de luz (intensidad ptica) es modulada por la corriente electrnica inyectada en la fuente ptica.

MODULACIN CON LED

La modulacin ptica puede ser directa, donde la fuente de luz es modulada directamente por una inyeccin de corriente electrnica, proveniente del circuito driver, o ella puede ser una modulacin externa, donde la luz es primera generada por la fuente ptica y despus a travs de un modulador externo es modulada. En este caso es posible, pero no usual, modular, adems de la amplitud, la fase, la frecuencia o la polarizacin de la seal ptica. La ventaja de la modulacin externa es la posibilidad de minimizar el efecto de lo chirp de la seal ptica, caractersticos das seales pticas moduladas directamente. Sin embargo, la mayora de los sistemas de comunicacin por fibras pticas comercializados actualmente utiliza la modulacin directa, debido a su simplicidad y bajo costo. Estos sistemas son llamados de sistemas del tipo IM o sea, la potencia ptica emitida por la fuente de luz (intensidad ptica) es modulada por la corriente electrnica inyectada en la fuente ptica.

Un LED se comporta como n: un LED se comporta como un filtro paso bajo de 1er orden

El parmetro modela la respuesta del LED El resto del circuito del transmisor tambin influye en la respuesta global Capacidades parsitas (unin pn, cpsula, ) Resto de la electrnica.

La modulacin en pequea seal se caracteriza con f3dB: Disminuye la amplitud de la seal ptica al aumentar la frecuencia frecuencia mxima ancho de banda de modulacin f3dB.

En gran seal se mide con los tiempos de subida t de subida t10..90%

El filtro paso-bajo estropea los flancos (los suaviza), tiempos de subida 10..90%

Hay una relacin entre el comportamiento en pequea y gran seal:

CIRCUITO DE MODULACION LED

Esta aplicacin de amp-op es un amplificador sumador donde la seal de entrada tiene una ganancia de -1, y el suministro de 12V se amplifica por -3/7 para proporcionar voltaje suficiente para encender el LED y llevarlo a su rango lineal. El cambio en la salida de luz es entonces proporcional al voltaje de la seal.

DIODO LSERLos Diodos lser, emiten luz por el principio de emisin estimulada, la cual surge cuando un fotn induce a un electrn que se encuentra en un estado excitado a pasar al estado de reposo, este proceso est acompaado con la emisin de un fotn, con la misma frecuencia y fase del fotn estimulante. Para que el numero de fotones estimulados sea mayor que el de los emitidos de forma espontnea, para que se compensen las perdidas, y para que se incremente la pureza espectral, es necesario por un lado tener una fuerte inversin de portadores, la que se logra con una polarizacin directa de la unin, y por el otro una cavidad resonante, la cual posibilita tener una trayectoria de retroalimentacin positiva facilitando que se emitan mas fotones de forma estimulada y se seleccione ciertas longitudes de onda haciendo mas angosto al espectro emitido.La presencia de una inversin grande de portadores y las propiedades de la cavidad resonante hacen que las caractersticas de salida (potencia ptica como funcin de la corriente de polarizacin) tenga un umbral a partir del cual se obtiene emisin estimulada, el cual es funcin de la temperatura.Un diodo lser es diferente en este aspecto, ya que produce luz coherente lo que significa que todas las ondas luminosas estn en fase entre s. La idea bsica de un diodo lser consiste en usar una cmara resonante con espejos que refuerza la emisin de ondas luminosas a la misma frecuencia y fase. A causa de esta resonancia, un diodo lser produce un haz de luz estrecho que es muy intenso, enfocado y puro.El diodo lser tambin se conoce como lser semiconductor o tambin conocidos como lseres de inyeccin, Estos diodos pueden producir luz visible (roja, verde o azul) y luz invisible (infrarroja).Se usan en productos de consumo y comunicaciones de banda anchaFABRY PEROT.Este diodo laser est constituido por dos espejos en los extremos de la gua, constituyndose en una cavidad resonante en donde la luz es reflejada y vuelta a reflejar entre los dos espejos a ambos lados del semiconductor, presenta algo de inestabilidad en la potencia de salida y se utiliza para la transmisin de datos en el retorno.VCSEL (VERTICAL-CAVITY SURFACE-EMITTING LASER).El lser emisor de superficie de cavidad vertical posee espejos resonadores arriba y abajo de la capa activa, lo que produce que la luz resuene perpendicular a la juntura y emerja a travs de un rea circular en la superficie. Posee menor corriente de umbral a la cual se presenta el efecto laser, adems consume poca potencia y tiene mayor tiempo de vida til. Se usa comnmente con la fibra multimodo DFB (Distributed FeedBack Laser).En el lser de retroalimentacin distribuida la red de difraccin 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 lser, en una lnea muy fina del espectro.DBR (DIDTRIBUTED BRAGG REFLECTOR).El reflector de Bragg distribuido, en este dispositivo la red de difraccin esta fuera de la zona activa, en donde no circula corriente (parte pasiva de la cavidad).

Los diodos DFB y DBR son utilizados en fibras monomodo y son sensibles a variaciones de temperatura.PROCESO DE EMISIN.El proceso de generacin de luz es similar al del LED. Las diferencias radican en el volumen de generacin, ms pequeo en los diodos laser, y en una alta concentracin de portadores inyectados. Se consigue as una ganancia ptica alta y un espectro muy estrecho que da lugar a luz coherente. La pastilla lser suele tener una longitud de 300mm, con dos caras cuidadosamente cortadas en ambos extremos a modo de espejos. El origen de la misin de fotones es la recombinacin directa electrn-hueco en la capa activa.Lser se utiliza generalmente en sistemas de comunicacin con:Potencias pticas de salida alta. Fibras monomodo o multimodo. Alta velocidad mxima de modulacin y grandes capacidades de transmisin. Gran longitud, donde se requiere alta potencia y baja dispersin en la fibra.TEORA DE FUNCIONAMIENTOUn diodo lser est formado por dopaje una capa muy delgada sobre la superficie de una oblea de cristal. El cristal est dopado para producir una regin de tipo n y una regin de tipo p, una encima de la otra, lo que resulta en una unin pn o diodo.Los diodos lser forman un subconjunto de la clasificacin ms grande de semiconductores diodos de unin pn. Polarizacin directa elctrico a travs del diodo lser provoca que las dos especies de portador de carga - huecos y electrones - a ser "inyectadas" desde lados opuestos de la unin pn hacia la regin de agotamiento. Los agujeros se inyectan desde el p-dopado, y electrones de la n-dopado de semiconductores. Debido a la utilizacin de inyeccin de carga en la alimentacin de la mayora de los lseres de diodo, esta clase de lseres se denomina a veces "Lseres de inyeccin", o "diodo lser de inyeccin". Como lseres de diodos son dispositivos semiconductores, tambin pueden ser clasificados como lseres semiconductores. De cualquier designacin que distingue los lseres de diodo de lser de estado slido.Otro mtodo de suministrar energa a algunos lseres de diodo es el uso de bombeo ptico. Los lseres semiconductores de bombeo ptico utilizan un chip de semiconductores III-V como los medios de ganancia, y otro lser como la fuente de la bomba. OPSL ofrecen varias ventajas sobre las ILD, en particular en la seleccin de longitud de onda y la falta de interferencia de estructuras de electrodos internos.Cuando un electrn y un agujero estn presentes en la misma regin, pueden recombinarse o "aniquilar" con el resultado de la emisin espontnea - es decir, el electrn puede volver a ocupar el estado de energa del agujero, emitiendo un fotn con una energa igual a la diferencia entre el electrn y el agujero estados involucrados. La emisin espontnea da el diodo lser por debajo del umbral de accin lser propiedades similares a un LED. La emisin espontnea es necesaria para iniciar la oscilacin de lser, pero es una de las varias fuentes de ineficiencia una vez que el lser es oscilante.La diferencia entre el lser semiconductor emisor de fotones y diodos semiconductores convencionales de unin de fotones emisores de luz se encuentra en el uso de un tipo diferente de semiconductores, uno cuyo fsica y la estructura atmica confiere la posibilidad de emisin de fotones. Estos semiconductores emisores de fotones son los llamados semiconductores de banda prohibida "directos". Las propiedades de silicio y germanio, que son semiconductores de un solo elemento, tienen bandas prohibidas que no se alinean de la manera necesaria para permitir la emisin de fotones y no se consideran "directa". Otros materiales, los llamados semiconductores compuestos, tienen estructuras cristalinas prcticamente idnticas como el silicio o el germanio pero utilizan arreglos alternos de dos especies atmicas diferentes en un tablero de ajedrez-como para romper la simetra. La transicin entre los materiales en el modelo de alternancia crea la propiedad crtica "banda prohibida directa". El arseniuro de galio, fosfuro de indio, antimoniuro de galio, nitruro de galio y son todos los ejemplos de materiales semiconductores compuestos que pueden ser utilizados para crear diodos de unin que emiten luz.En la ausencia de las condiciones de emisin estimulada, electrones y agujeros pueden coexistir en la proximidad el uno al otro, sin recombinacin, durante un tiempo determinado, denominado el "tiempo de vida del estado superior" o "tiempo de recombinacin", antes de que se recombinan. A continuacin, un fotn cercano con energa igual a la energa de recombinacin puede causar recombinacin por emisin estimulada. Esto genera otro fotn de la misma frecuencia, viajando en la misma direccin, con la misma polarizacin y fase que el primer fotn. Esto significa que la emisin estimulada provoca aumento en una onda ptica en la regin de la inyeccin, y la ganancia aumenta a medida que el nmero de electrones y los huecos inyectados a travs de los aumentos de unin. Los procesos de emisin espontnea y estimulada son mucho ms eficientes en los semiconductores de banda prohibida directa que en semiconductores de banda prohibida indirecta, por lo que el silicio no es un material comn para los diodos lser.Al igual que en otros lseres, la regin de ganancia est rodeado con una cavidad ptica para formar un lser. En la forma ms simple de diodo lser, una gua de ondas ptica se hizo en que la superficie de cristal, de tal manera que la luz se limita a una lnea relativamente estrecha. Los dos extremos del cristal se escinden para formar bordes perfectamente lisas, paralelas, formando un resonador de Fabry-Prot. Los fotones emitidos en un modo de la gua de ondas viajarn a lo largo de la gua de ondas y se refleja varias veces de cada lado frontal antes de que sean emitidos. Como una onda de luz pasa a travs de la cavidad, que es amplificada por emisin estimulada, pero tambin la luz se pierde debido a la absorcin y la reflexin por incompleta de las facetas finales. Por ltimo, si hay ms de amplificacin de la prdida, el diodo comienza a "laser".Algunas propiedades importantes de los diodos lser estn determinadas por la geometra de la cavidad ptica. En general, en la direccin vertical, la luz est contenida en una capa muy delgada, y la estructura soporta slo un nico modo ptico en la direccin perpendicular a las capas. En la direccin transversal, si la gua de ondas se ampla en comparacin con la longitud de onda de la luz, a continuacin, la gua de ondas puede soportar mltiples modos pticos transversales, y el lser es conocido como "multimodo". Estos lseres transversalmente multi-modo son adecuados en los casos en que se necesita una cantidad muy grande de energa, pero no un pequeo haz de difraccin limitada, por ejemplo en la impresin, la activacin de los productos qumicos, o de bombeo de otros tipos de lseres.En aplicaciones donde se necesita un pequeo haz enfocado, la gua de ondas debe hacerse estrecho, del orden de la longitud de onda ptica. De esta manera, slo un modo transversal se apoya y se termina con un haz de difraccin limitada. Tales dispositivos de modo espacial individuales se utilizan para el almacenamiento ptico, punteros lser, y la fibra ptica. Tenga en cuenta que este tipo de lser puede todava soportar mltiples modos longitudinales, y por lo tanto puede lasear en mltiples longitudes de onda simultneamente.La longitud de onda emitida es una funcin de la banda prohibida del semiconductor y los modos de la cavidad ptica. En general, la ganancia mxima se producir para fotones con energa ligeramente por encima de la energa de intervalo de banda, y los modos ms cercanos al pico de ganancia se laser ms fuertemente. Si el diodo se acciona con suficiente fuerza, los modos secundarios adicionales tambin pueden laser. Algunos diodos lser, tales como los lseres ms visibles, funcione a una sola longitud de onda, longitud de onda, pero que es inestable y cambia debido a las fluctuaciones en la corriente o la temperatura.Debido a la difraccin, el haz diverge rpidamente despus de abandonar el chip, tpicamente a 30 grados por 10 grados verticalmente lateralmente. Una lente debe ser utilizado con el fin de formar un haz colimado como la producida por un puntero lser. Si se requiere un haz circular, se utilizan lentes cilndricas y otra ptica. Para los lseres de modo espacial nico, usando las lentes simtricas, el haz colimado termina siendo de forma elptica, debido a la diferencia en las divergencias verticales y laterales. Esto es fcilmente observable con un puntero lser rojo.MODOS DE UN DIODO LASERUn lser puede ser clasificado como operar en modo continuo o pulsado, dependiendo de si la salida de potencia es esencialmente continua en el tiempo o si su salida toma la forma de pulsos de luz en una o en otra escala de tiempo. Por supuesto, incluso un lser cuya salida es normalmente continua se puede girar intencionalmente dentro y fuera a una tasa con el fin de crear pulsos de luz. Cuando la velocidad de modulacin es en escalas de tiempo mucho ms lento que el tiempo de vida cavidad y el perodo de tiempo durante el cual la energa se puede almacenar en el mecanismo de accin lser o medio de bombeo, a continuacin, todava se clasifica como un "modulada" o "pulsada" lser de onda continua. La mayora de los diodos lser utilizados en los sistemas de comunicacin caen en esa categora.

OPERACIN DE ONDA CONTINUA

Algunas aplicaciones de los lseres dependen de un haz cuya potencia de salida es constante en el tiempo. Tal un lser se conoce como onda continua. Se pueden hacer muchos tipos de lser para operar en el modo de onda continua para satisfacer este tipo de aplicacin. Muchos de estos lseres en realidad laser en varios modos longitudinales al mismo tiempo, y tiempos entre las frecuencias ligeramente diferentes pticas de las oscilaciones, de hecho, producir variaciones de amplitud en escalas de tiempo ms cortas que el tiempo de ida y vuelta, tpicamente de unos pocos nanosegundos o menos. En la mayora de los casos, estos lseres son todava llaman "onda continua" como su potencia de salida es estable cuando se promedian sobre cualquier periodo de tiempo ms largos, con las variaciones de energa de muy alta frecuencia que tienen poco o ningn impacto en la aplicacin prevista. Para el funcionamiento de onda continua que se requiere para la inversin de poblacin del medio de ganancia que ser repuesto continuamente por una fuente de bombeo constante. En algunos medios de accin lser es imposible. En algunos otros lseres que requerira de bombeo del lser a un nivel muy alto de potencia continua que sera poco prctico o destruir el lser mediante la produccin de calor excesivo. Estos lseres no se pueden ejecutar en modo CW.

OPERACIN PULSADA

Operacin de pulsado de los lseres se refiere a cualquier lser no clasificados como onda continua, de modo que la potencia ptica aparece en pulsos de una cierta duracin en algn tasa de repeticin. Esto abarca una amplia gama de tecnologas que aborden un nmero de diferentes motivaciones. Algunos lseres son pulsadas simplemente porque no se pueden ejecutar en el modo continuo.En otros casos, la aplicacin requiere la produccin de impulsos que tienen una energa tan grande como sea posible. Puesto que la energa del pulso es igual a la potencia media dividida por la tasa de repeticin, este objetivo a veces puede ser satisfecha mediante la reduccin de la tasa de impulsos de modo que ms energa puede ser construida en entre pulsos. En la ablacin con lser, por ejemplo, un pequeo volumen de material en la superficie de una pieza de trabajo se puede evaporar si se calienta en un tiempo muy corto, mientras que el suministro de la energa gradualmente permitira el calor para ser absorbido en la mayor parte de la pieza, nunca alcanzar una temperatura suficientemente alta en un punto particular.Otras aplicaciones se basan en la potencia de cresta del impulso, especialmente con el fin de obtener efectos pticos no lineales. Para un pulso de energa dada, esto requiere la creacin de pulsos de duracin ms breve posible la utilizacin de tcnicas como el Q-switching.El ancho de banda ptica de un pulso no puede ser ms estrecha que el recproco de la anchura del impulso. En el caso de pulsos extremadamente cortos, que implica la accin lser en un ancho de banda considerable, muy al contrario de los anchos de banda muy estrechos tpicos de los lseres de CW. El medio de emisin lser en algunos lseres de colorante y los lseres de estado slido vibrnicas produce ganancia ptica en un amplio ancho de banda, lo que hace posible un lser que puede as generar pulsos de luz de tan slo unos pocos femtosegundos.En un lser de Q-conmutado, se permite la inversin de poblacin para construir mediante la introduccin de la prdida en el interior del resonador que excede la ganancia del medio, lo que tambin puede ser descrito como una reduccin del factor de calidad o "Q" de la cavidad. Entonces, despus de la energa de bombeo almacenada en el medio de lser se ha acercado al nivel mximo posible, el mecanismo de prdida introducido se elimina rpidamente, permitiendo que la accin lser para comenzar que obtiene rpidamente la energa almacenada en el medio de ganancia. Esto se traduce en un impulso corto que la incorporacin de la energa, y por lo tanto una alta energa mxima.Un lser de modo bloqueado es capaz de emitir pulsos extremadamente cortos, del orden de decenas de picosegundos reduce a menos de 10 femtosegundos. Estos pulsos se repetir en el tiempo de ida y vuelta, es decir, el tiempo que la luz tarda en completar un viaje de ida y vuelta entre los espejos que componen el resonador. Debido al lmite de Fourier, un pulso de tal longitud temporal corto tiene un espectro extendido sobre un ancho de banda considerable. Por lo tanto un medio de dicha ganancia debe tener un ancho de banda de ganancia suficientemente amplia para amplificar esas frecuencias. Un ejemplo de un material adecuado es de titanio dopado, crecido artificialmente zafiro que tiene un ancho de banda de ganancia muy amplia y por lo tanto puede producir pulsos de slo unos pocos femtosegundos duracin.Tales lseres en modo bloqueado son una herramienta ms verstil para procesos que ocurren en escalas de tiempo extremadamente cortos investigacin, para maximizar el efecto de la no linealidad en materiales pticos debido a la gran potencia de pico, y en aplicaciones de ablacin. Una vez ms, debido a la duracin extremadamente corta del impulso, tal lser producir impulsos que alcanzan una potencia extremadamente alta pico.CONDICIONES DE DISPAROOtro mtodo de lograr la operacin de lser pulsado es para bombear el material lser con una fuente que es en s mismo pulsada, ya sea a travs de la carga electrnica en el caso de lmparas de flash, u otro lser que ya est pulsado. Pulsos de bombeo se utiliz histricamente con lseres de colorante en el tiempo de vida de poblacin invertida de una molcula de colorante era tan corto que se necesita una energa, bomba rpida alta. La manera de superar este problema fue para cargar condensadores grandes que luego se cambiaron a descargar a travs de lmparas de destellos, la produccin de un flash intensa. Pulsos de bombeo tambin se requiere para lser de tres niveles en los que el nivel de energa ms bajo se convierte rpidamente en altamente poblada evitar una mayor accin lser hasta que esos tomos se relajan al estado fundamental. Estos lseres, como el lser excimer y el lser de vapor de cobre, no se pueden utilizar en el modo CW.ECUACIONES DE EMISINPara el anlisis del funcionamiento del lser hay que partir de lasecuaciones de emisin(en este caso, particularizadas para el caso de lseres monomodo), que son la solucin a las ecuaciones de Maxwell para el caso del lser:

DondePyNrepresentan la cantidad o nmero de fotones y portadores en la cavidad respectivamente,tpes el tiempo de vida de los fotones,tnel tiempo de recombinacin de los portadores,Respes la tasa de emisin espontnea yGes la tasa de emisin estimulada o ganancia ptica de la cavidad.La definicin o el valor de cada uno de los parmetros que determinan el funcionamiento del lser es: LACANTIDAD DE FOTONESviene dada en funcin del campo elctrico:

Dondee0es la permitividad del medio material,mes el ndice del modo,mges ndice de los portadores inducidos ywes la energa de un fotn. ELNMERO DE PORTADORESen la zona activa se define como:

Dondenes la densidad de portadores y es prcticamente constante,V=Lwdes el volumen de la cavidad siendoLla longitud,wel ancho ydel grosor de la misma. LAGANANCIA PTICAse halla a partir de:

dondeGeselfactordeconfinamiento,vgeslavelocidaddegrupodefinidacomovg= c/mgygesuna ganancia de la cavidad cuyo valor es:g =sg( n - n0), dondesges el coeficiente de ganancia diferencial,n0la densidad de portadores requerida para alcanzar el nivel de transparencia ynla densidad de portadores. Como no se va a trabajar con densidad de portadores por unidad de volumen, sino con nmero de portadores, se desarrolla un poco esta definicin para llegar a otra expresin que convenga mejor:G = GN(N-N0). ELTIEMPO DE VIDA DE LOS FOTONES:

Dondeaeson las prdidas en los espejos,aintotras prdidas intrnseca de la cavidad. ELTIEMPO QUE TARDAN EN RECOMBINARSE LOS PORTADORESes:

LATASA DE EMISIN ESPONTNEA, viene dada por:

Donde todo lo contenido dentro del corchete se conoce comofactor de inversin de la poblacinyEfes la energa de separacin entre los niveles de Fermi.Si a [1] y [2] se le aade la ecuacin de emisin de la fase, se tiene el sistema de ecuaciones de emisin de lseres monomodo completo.

EFICIENCIA CUNTICALa Eficiencia cuntica es una cantidad definida para un dispositivo fotosensible como la pelcula fotogrfica o un CCD como el porcentaje de fotones que chocan con la superficie fotorreactiva que producir un par electrn-hueco. Es una medida precisa de la sensibilidad del dispositivo. A menudo se mide sobre un rango de diferentes longitudes de onda para caracterizar la eficiencia del dispositivo a cada energa. La pelcula fotogrfica tiene tpicamente una eficiencia cuntica de menos del 10%, mientras los CCDs pueden tener una eficiencia cuntica sobre 90% en algunas longitudes de onda.FRECUENCIA DE RESONANCIA

Se denominafrecuencia de resonanciaa aquella frecuencia caracterstica de un cuerpo o un sistema que alcanza el grado mximo de oscilacin.Todo cuerpo o sistema tiene una, o varias, frecuencias caractersticas. Cuando un sistema es excitado a una de sus frecuencias caractersticas, su vibracin es la mxima posible. El aumento de vibracin se produce porque a estas frecuencias el sistema entra en resonancia.La eficiencia de Acople es la medida de la cantidad de potencia ptica emitida desde una fuente que puede ser acoplada con una Fibra ptica = PF / PS

Pf= Potencia Acoplada a la FibraPs= Potencia Emitida desde la Fuente de LuzLa eficiencia de Acople depende del tipo de fibra conectada a la fuente y del proceso de acople (lentes u otro complemento).

ESTRUCTURA Y PATRONES DE RADIACIN

El modo transversal de un frente de onda electromagntica es el perfil del campo electromagntico en un plano perpendicular (transversal) a la direccin de propagacin del rayo. Modos transversales ocurren en las ondas de radio y microondas confinadas en una gua de ondas, como tambin la luz confinada en una fibra ptica y en el resonador ptico de un lser.Los modos transversales son debidos a las condiciones de frontera impuestas por la gua de ondas. Por ejemplo una onda de radio que se propaga a lo largo de una gua hueca de paredes metlicas tendr como consecuencia que las componentes del campo elctrico paralelas a la direccin de propagacin (eje de la gua) se anulen, y por tanto el perfil transversal del campo elctrico estar restringido a aquellas ondas cuya longitud de onda encaje entre las paredes conductoras. Por esta razn, los modos soportados son cuantizados y pueden hallarse mediante la solucin de las ecuaciones de Maxwell para las condiciones de frontera adecuadas.LASER MONOMODOLas comunicaciones led se producen principalmente a partir de GaAsp o GaAs. Debido a que los ledesGaAsp operan a una mayor longitud de onda que los ledesGaAs (1,3 micrmetros contra 0,81-0,87 m), su espectro de salida es ms ancho en un factor de alrededor de 1,7 veces. El ancho de amplio espectro de los ledes causa una alta dispersin en la fibra, lo que limita considerablemente su producto tasa de bits-distancia (medida comn de utilidad). Los ledes son adecuados principalmente para aplicaciones de red de rea local con velocidades de 10 a 100 Mbit/s, y distancias de transmisin de unos pocos kilmetros. Los leds se han desarrollado para usar varios pozos cunticos para emitir luz en diferentes longitudes de onda en un amplio espectro, y actualmente estn en uso en redes de rea local de multiplexado por divisin de longitud de onda.Un lser semiconductor transmite luz a travs de la emisin estimulada en vez de emisin espontnea, lo que da como resultado una alta potencia de salida (~100 mW), as como otros beneficios de la luz coherente. La salida del lser es relativamente direccional, lo que permite un acoplamiento de alta eficiencia (~50%) en fibras monomodo. La anchura espectral estrecha permite altas tasas de transferencia de bits, ya que reduce el efecto de dispersin cromtica. Los lseres semiconductores pueden ser modulados directamente a altas frecuencias, debido a la recombinacin de tiempo corto.A menudo, los diodos lser se modulan directamente, que es la salida de luz controlada por una corriente aplicada directamente al dispositivo. Para tasas de datos muy altas o enlaces de muy larga distancia, una fuente de lser puede ser de onda continua y la luz modulada por un dispositivo externo como un modulador de electro absorcin

MODULACIN DE DIODOS LSERMODULACINLa respuesta general a los distintos mtodos de modulacin depende de factores intrnsecos y extrnsecos del lser. Los lmites extrnsecos son varios. Una restriccin importante es el sobrecalentamiento del lser debido a las altas corrientes de polarizacin del lser. Estas altas corrientes son necesarias para poder hacer funcionar el lser a altas velocidades. El sobrecalentamiento produce un deterioro de los parmetros del dispositivo como la ganancia, corriente umbral, etc. Otro aspecto importante en la polarizacin de lseres a alta potencia es la degeneracin "catastrfica" que se produce si se daan los espejos. Esto destruye el lser al estropearse los espejos de la cavidad. Por tanto el lser tiene un lmite superior de inyeccin, hasta el cual puede operar con seguridad y por encima del cual se destruye el lser. Un ltimo lmite extrnseco del lser que limita la velocidad de ste es debido a los elementos parsitos extrnsecos del diodo lser. El lser debe ser diseado con cuidado para que la resistencia, capacidad e inductancia no limiten la respuesta del dispositivo. Los lmites intrnsecos de modulacin son debidos al diseo de la cavidad, arrastre y difusin de los portadores que limitan la velocidad de la modulacin de pequea seal.

MODULACIN DE GRAN SEALEn este tipo de modulacin el lser es puesto a ON y a OFF, es decir, la corriente pasa de estar por encima del valor umbral a estar por debajo del valor umbral. Este tipo de modulacin se puede utilizar para interconexiones pticas o para algunas aplicaciones lgicas. La respuesta del lser es bastante lenta con esta modulacin (~10ns). La modulacin de gran seal no se utiliza para comunicaciones pticas debido a la respuesta tan lenta y debido a la anchura espectral de la salida. De hecho la respuesta en gran seal de un lser.MODULACIN DE PEQUEA SEALEn modulacin de pequea seal el lser est polarizado en un punto por encima del valor umbral y se le aplica una pequea seal ac. Este mtodo presenta la mayor respuesta en frecuencia pudindose alcanzar anchos de banda de hasta 50GHz. MODULACIN DE CDIGO DE PULSOSEsta tcnica de modulacin es la ms utilizada en las comunicaciones pticas actuales. Es un hbrido entre la modulacin de gran seal y la de pequea seal. El lser est polarizado por encima de su valor umbral y se le aplican pulsos de corriente (o tensin) de forma que la corriente va de un valor superior a otro inferior pero siempre, incluso en el estado bajo, por encima del valor umbral. Con este tipo de modulacin se alcanzan anchos de banda de hasta 10GHz.EFECTOS DE LA TEMPERATURAComo en el LED la dependencia de la temperatura de la emisin de un lser es de suma importancia. Tal y como hemos visto en una seccin anterior, para aplicaciones de muy alta velocidad necesitamos altas corrientes de inyeccin lo cual puede producir un calentamiento del dispositivo an con buena refrigeracin. Los factores de mayor importancia en el estudio de la dependencia con la temperatura son; i) efecto de la temperatura sobre la corriente umbral y la intensidad ptica y ii) efecto de la temperatura sobre la frecuencia de emisin.DEPENDENCIA DE LA CORRIENTE UMBRAL CON LA TEMPERATURA

Conforme aumenta la temperatura del lser, su corriente umbral tambin aumenta y para un nivel de inyeccin determinado, la salida de fotones cae. Se debe a dos razones principalmente:

El incremento de temperatura causa que puedan existir electrones y huecos con energas mayores. En consecuencia, una mayor fraccin de la carga inyectada podr cruzar la regin activa y entrar en el recubrimiento o regin de los contactos. Esta corriente de prdidas ya la vimos para el LED. La corriente de prdidas depende del diseo del lser y se puede minimizar utilizando una regin activa ms ancha o una estructura con variacin gradual del ndice en el caso de lseres de pozo cuntico.

A mayor temperatura hay ms electrones y huecos con energas superiores al valor energtico umbral necesario para que se produzca la recombinacin de Auger. Esto, junto junto con el incremento en la densidad de portadores umbral hace que la recombinacin de Auger crezca exponencialmente con la temperatura. Los procesos de Auger son especialmente importantes en materiales de estrecha banda prohibida.

EFECTO AUGER:La ya mencionada recombinacin de Auger da lugar a calor en vez de a fotones por lo que una fraccin de la corriente no estar disponible para la creacin fotones y, en consecuencia, habr que aumentar el nivel de inyeccin para alcanzar la misma densidad de fotones. Adems se produce un aumento del factor de amortiguamiento de la resonancia reduciendo el ancho de banda.

DEPENDENCIA CON LA TEMPERATURA DE LA FRECUENCIA DE EMISIN

Para la mayora de las aplicaciones es deseable que la frecuencia de emisin permanezca estable. Pero en realidad si cambia la temperatura cambia la frecuencia de emisin del lser. Hay dos efectos que controlan esta variacin de la frecuencia:

La variacin de la banda prohibida hace desplazarse el espectro de ganancia completo a energas menores conforme aumenta la temperatura. Esta variacin de la banda prohibida es del orden de 0,5meV/K en la mayora de los semiconductores. Esto hace variar al espectro de ganancia en 3 o 4 por K si no hay efectos adicionales como se muestra en la siguiente figura (a). Sin embargo, en el lser la emisin no depende slo de la posicin del pico de ganancia si no tambin del modo Fabry-Perot ms cercano a este pico de ganancia. Esto nos conduce al segundo efecto. Conforme vara la temperatura, la expansin trmica de la cavidad lser y la variacin del ndice de refraccin altera la posicin de los modos resonantes .Los modos resonantes vienen dados por (q es un entero)

Donde q es la longitud de onda en el material y q0 la longitud de onda en el vaco. Si la longitud efectiva de la cavidad aumenta con la temperatura, la posicin de los modos se desplazar con respecto al espectro de ganancia que a su vez se est desplazando debido a la temperatura.

Modulacin de la intensidad del lser

El comportamiento de un diodo lser bajo modulacin directa, cuando se tiene por objetivo obtener una modulacin de la potencia ptica a la salida del lser.Cuando se habla de modulacin de un lser existen distintas estrategias, la ms sencilla es la relativa a la modulacin de la amplitud de la potencia ptica de salida mediante la variacin de la corriente de alimentacin del lser. sta se produce cuando se varan la corriente de polarizacin del lser entre dos valores , siempre sobre un nivel de corriente de polarizacin medio. Esta variacin se traduce de forma directa en dos niveles de potencia a la salida del lser . La variacin de la corriente de polarizacin presentar una determinada frecuencia, cuando sta est por debajo de un determinado valor puede trabajarse sin grandes penalizaciones (aunque la tasa de transmisin es baja); sin embargo, cuando se trabaja a ms alta frecuencia, deben contemplarse otros fenmenos interferentes que penalizan y limitan la transmisin.Para realizar un estudio formal de la modulacin directa de la potencia de un diodo lser, se debe partir de las ecuaciones de ritmo. Planteando la ecuacin de ritmo de emisin de fotones

donde la ganancia normalizada se denota como = , donde es la tasa de emisin estimulada, el tiempo de vida del fotn, la tasa de emisin espontnea, y el factor multiplicativo total de emisin espontnea, S es la evolucin temporal de la emisin de fotones.Considerando por otro lado el ritmo de recombinacin expandido en torno a una densidad de portadores umbral .

Puede darse una expresin para la ecuacin ritmo de densidad de cargas en torno al punto de polarizacin instantneo tal como sigue a continuacin

expresin en la cual se ha denotado I como la corriente instantnea, la corriente umbral de conduccin lser, el tiempo de vida del portador y V el volumen de la regin activa del diodo lser. Con el fin de contemplar efectos no lineales en la expresin de la ganancia (importante para tratar conceptos de Chirp y de modulacin en frecuencia), se plantea la siguiente expresin

donde es la ganancia lineal, es el factor de compresin de ganancia respecto a la potencia ptica por cara de emisin, s el coeficiente de compresin de ganancia respecto al nmero de fotones, P la potencia ptica por cara del lser. Se muestra entonces como existe una dependencia en las expresiones de ritmo del lser con factores lineales y no lineales, algunos de estos factores conforman la respuesta AM y FM de lser, con lo que ser necesario caracterizarlos para entender el comportamiento del lser cuando es modulado directamente.

Transitorio en la conmutacin

Cuando se realiza una transicin entre el nivel bajo y el nivel alto de corriente de polarizacin, la potencia ptica a la salida del lser no vara automticamente, sino que se produce un transitorio. Este transitorio tendr mayor o menor repercusin segn se establezca el nivel bajo de corriente. Este transitorio se produce debido a la aplicacin de un pulso corriente al lser, se produce un incremento brusco de la densidad de portadores que excede el nivel umbral, esto provoca un incremento rpido de fotones que sobrepasa el valor estacionario de la salida. Este incremento brusco de fotones por encima del nivel medio provoca una disminucin de la densidad de portadores por debajo del nivel umbral, que a su vez provoca una disminucin abrupta de la densidad de fotones. Este comportamiento se va repitiendo cada vez con menor varianza sobre el nivel estacionario, de manera que para un determinado tiempo termina convergiendo a ste. Este efecto variar segn dnde se establezca el nivel bajo y alto de corriente, dando para cada uno de estos un tiempo de establecimiento diferente. Esto puede entenderse fcilmente si se considera que cuando el nivel bajo de corriente se sita por debajo del nivel umbral, el lser estar conmutando entre una zona de conduccin lser y una zona de no conduccin lser; de manera que la inversin de poblacin de portadores ser ms brusca y lenta que no cuando el nivel bajo de corriente est siempre por encima del nivel de corriente umbral, de modo que el lser siempre se encuentra trabajando en la regin de conduccin lser. Las expresiones para ambos casos se muestran a continuacin:

donde es la frecuencia de resonancia del lser. Que a su vez puede ser descrita de la siguiente manera

LINEALIDAD DE LA FUENTE DE LUZEl transmisor de fibra ptica es un dispositivo hbrido electro-ptico. Convierte seales elctricas en pticas y enva las seales pticas a una fibra ptica. Un transmisor de fibra ptica consiste de un circuito de interfaz, un circuito controlador de la fuente, y una fuente ptica. El circuito interfaz acepta la seal elctrica entrante, y la procesa para que sea compatible con el circuito controlador de la fuente. La intensidad del circuito controlador de la fuente modula la fuente ptica variando su propia corriente. La seal ptica se junta, se acopla a la fibra ptica a travs de la interfaz de salida del transmisor. Hay dos tipos de diodos de juntura de emisin de luz que se usan como fuente ptica del transmisor. Esta el diodo emisor de luz (LED, acrnimo ingls de Light-EmittingDiode), y el diodo lser (LD). Los LED son ms simples y generan luz incoherente, y de potencia baja. Los LD son ms complejos y generan luz coherente, y de potencia alta. El grfico ilustra la potencia de salida ptica, P, de cada uno de estos dispositivos en funcin de la corriente elctrica de entrada I, del circuito de modulacin. En la figura se ve que el LED tiene una caracterstica P-I relativamente lineal, mientras que el LD tiene una caracterstica no lineal o efecto umbral. El LD tambin tiene una propensin a tener pliegues donde la energa disminuye con el aumento del ancho de banda.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

http://www.monografias.com/trabajos60/diodo-led/diodo led.shtml#xestled#ixzz3GoYnBu3Ehttp://centrodeartigo.com/articulos-noticias-consejos/article_141987.htmlfile:///C:/Documents%20and%20Settings/kattiuskka/Mis%20documentos/Comunicacion%20Optica/Proyecto_Final_de_Carrera.pdf