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FUENTES OPTICAS I
EL DIODO ELECTROLUMINISCENTE
5
5.1 INTRODUCCION
El transmisor óptico es el segundo elemento fundamental de un sistema de comunicación óptica.
Su objetivo es principalmente la conversión de la señal de información eléctrica que se desea transmitir a la fibra óptica.
La conversión electroóptica es de naturaleza cuántica.
Las fuentes ópticas se pueden clasificar en dos grandes grupos: LED y LÁSER
EL DIODO ELECTROLUMINISCENTELED
Genera luz mediante el mecanismo de emisión espontanea.
Son de bajo coste.
Gran anchura espectral en ausencia de modulación.
Relativa ineficiencia de acoplo de potencia a la fibra óptica.
Apropiada para corta distancia y velocidad de transmisión pequeña(hasta 200Mb/s), para fibra multimodo.
SISTEMA DE TRANSMISIÓN EN FIBRA ÓPTICA
Se componen de un transmisor en un extremo de una fibra y un receptor en el otro extremo. La mayoría de los sistemas operan mediante la transmisión en una dirección en una fibra y en la dirección inversa en otra fibra para el funcionamiento dúplex completo.
http://www.thefoa.org/tech/ref/appln/transceiver.html
LED Y LÁSER
LEDs tienen una salida espectral muy amplia que les lleva a sufrir la dispersión cromática en fibras, mientras que los láseres tienen una salida espectral estrecha que sufre muy poca dispersión cromática.
http://www.thefoa.org/tech/ref/appln/transceiver.html
LED EN FIBRA ÓPTICALa serie de transmisores de fibra óptica OPF1412 y OPF1414 de GaAIAs contienen una alta velocidad LED 840nm. Este LED en conjunto con el efecto de lente paquete está diseñado para la luz de manera eficiente par en fibras ópticas multimodo que van en tamaño de 50/125 micras hasta 200/230 micras. La alta eficiencia de acoplamiento de la lente LED y permite ser utilizado en los bajos niveles de transmisión de corriente disminuyendo así el consumo de energía y el aumento de la fiabilidad del sistema. http://
www.optekinc.com/datasheets/opf1412-414.pdf
5.2 INTERACCIÓN RADIACIÓN-MATERIA Indica las diferentes formas en las que el
campo electromagnético se absorbe o amplifica al propagarse a través de un medio material.
Los niveles de energía solo pueden tomar valores discretos.
Nivel energéti
co superior
Nivel energéti
co inferior
(E2N2)
(E1N1)
E
Figura5.1 Fundamentos de comunicaciones ópticas
TK
E
beEN
)((5.1)
INTERACCIÓN RADIACIÓN-MATERIA
Un átomo molécula o electrón situado en el nivel E2 puede pasar al nivel E1 liberando un fotón de energía E2-E1, en otras palabras radiación electromagnética.
Este proceso es llamado GENERACIÓN ESPONTANEA, no requiere de campo EM externo.
h
EEv 12
Figura 5.2 fundamentos de comunicaciones ópticas
(E2N2)
(E1N1)
22 AN
dt
dNRspon
(5.2)
(5.3)
INTERACCIÓN RADIACIÓN-MATERIA
El proceso de ABSORCIÓN se produce cuando un fotón, se aprovecha para transferir una molécula del nivel E1 al E2 haciendo desaparecer el fotón y reduciendo la potencia de la señal externa.
(E2N2)
(E1N1)
Figura 5.3 fundamentos de comunicaciones ópticas
)(1121 vNB
dt
dNRabs
:)(v Densidad espectral de radiación electromagnética
(5.4)
INTERACCIÓN RADIACIÓN-MATERIA La presencia de un fotón puede provocar la
transferencia de una molécula del nivel E2 al E1, generando un nuevo fotón de la misma frecuencia y fase.
Este proceso se denomina EMISION ESTIMULADA y genera como resultado radiación electromagnética coherente
(E2N2)
(E1N1)
Figura 5.4 fundamentos de comunicaciones ópticas
)(2212 vNB
dt
dNRstim
Densidad espectral de radiación electromagnética
:)(v(5.5)
INTERACCIÓN RADIACIÓN-MATERIA
abssponstim RRR
)()( 1122212 vNBvNBAN
1)(
Tk
hv
stim
spon bevB
A
R
R
El cociente entre emisión estimulada y emisión espontanea en condiciones de equilibrio termodinámico es:
T=398°K (25°C)KbT=25meVhv=1.42eV
hv >> KbTRspon >> Rstim
(5.6)
(5.9)
INTERACCIÓN RADIACIÓN-MATERIA Si se desea que predomine la emisión
estimulada hay que romper el equilibrio termodinámico N2>N1 (inversión de población).
Emisión espontanea y estimulada son procesos de tipo radiativo.
Para obtener fuentes ópticas eficientes es deseable reducir al máximo los procesos no radiativos en el material.
http://news.thomasnet.com/fullstory/Fiber-Optic-Transmitters-incorporate-850-nm-GaAlAs-LED-801794
5.3. TEORIA DE SEMICONDUCTORES
5.3.1 SEMICONDUCTORES INTRINSECOS
Los semiconductores poseen una estructural cristalina, donde los atomos o grupos de atomos se distribuyen según un patron espacial periodico o red.
Fig1. estructura cristalina www. Silicio.Estructura atómica del silicio.html
Para estudiar el comportamiento de los semiconductores se usa los diagramas de bandas de energia.
Fig. 2Bandas de energiawww. diagrama de bandas The Túzaro.html
Al elevarse la temperatura algunos electrones de la banda de valencia adquieren energia suficiente para subir a la banda de conduccion, debido la energia termica (1 eV).
Como consecuencia se produce una concentracion de electrones o portadores libres en la banda de conduccion y huecos en la banda de valencia.
Los conductores sin impurezas son llamados intrinsecos. La banda de conduccionn y la banda de valencia p vienen dadas por:
(5.10)Donde: es el nivel de fermi El producto de ambas
concentraciones es constante y llamada concentracion intrinseca:
(5.11)
5.3.2. SEMICONDUCTOR EXTRINSECO
Para mejorar la conductividad del semiconductor se dopa con impurezas y puede darse de dos formas:
Dopar con elementos del grupo V (P, As, Sb). Semiconductores tipo n.
Dopar con elementos del grupo III (B, Ga). Semiconductores tipo p.
Fig. 3 www. diagrama de bandas The Túzaro.html
Fig 4. www.diagrama de bandas The Túzaro.html
La emision espontanea en un semiconductor ocurre solo si el nivel de energia E2 posee un electron y el nivel de energia E1 esta vacio.
Las probabilidades de ocupacion viene dadas por las distribuciones Fermi-Dirac.(5.12)
(5.13)
Efc : Nivel de Fermi para electrones libres.Efv : Nivel de fermi para huecos. La emision espontanea total se
produce a un frecuencia w y se obtiene al sumar todas las posibles transiciones entre las dos bandas de energia.
(5.14)ρcv: densidad conjunta de estados
De forma similar podemos definir la emision estimulada y la emision de absorcion.
(5.16)
(5.17)
De lo anterior podemos obtener una condicion de inversion, que se obtiene polarizando en directa la union pn.
La condicion de inversion produce un exceso de portadores minoritarios lo que produce una corriente dada por:
(5.19)Donde Is es la corriente de saturacion
Para la generacion de luz ha que tener en cuenta que se debe a la recombinacion de portadores minoritarios.
Esta recombinacion debe ser de tipo radiativa.
Para favorecer la generacion de luz se dopa de forma asimetrica.
Resumiendo, la generacion de luz se debe a la recombinacion radiativa entre un electron de la banda de conduccion a la banda de valencia, como resultado da un foton.
Entre los tipos de recombinaciones tenemos la radiativa y no radiativa.
Dentro de la no radiativa tenemos la recombinacion superficial y de Auger, que emiten un fonon en vez de un foton.
Para caracterizar la calidad del tipo de radiacion tenemos el parametro llamado eficiencia cuantica interna.
(5.22)
En LEDs :Entonces 0.5
En fuentes laser : Entonces
5.4.TECNOLOGÍA, FABRICACIÓN Y MATERIALES PARA FUENTES ÓPTICAS
Para la fabricación de dispositivos semiconductores y fuentes ópticas se parte de un sustrato, este proporcionara la consistencia mecánica necesaria para mantener el resto del dispositivo y los contactos eléctricos.
A partir del sustrato se depositan sucesivas capas de materiales semiconductores por medio de reacciones químicas.
Para evitar las recombinaciones superficiales es necesario que los materiales depositados tengan una estructura cristalina idéntica al sustrato y que las capas adyacentes de material semiconductor posean una constante de red lo mas parecida posible.
El proceso de fabricación mediante deposición de sucesivas capas de materiales semiconductores se conoce como crecimiento epitaxial y puede realizarse en fase liquida (LPE), en fase de vapor (VPE), o mediante el empleo de haces moleculares (MBE)
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/electronic/leds.html
MATERIALES PARA FUENTES ÓPTICAS
Los materiales semiconductores adecuados para la fabricación de fuentes ópticas son los compuestos III-V.
Para comunicaciones en primera ventana (0.8-0.9) µm, el material usado son compuestos derivados del Arseniuro de Galio (AsGa), .
Al variar el valor de x variamos la longitud de onda de emisión, esto se debe a que el valor de gap de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción varia al variar x.
Este compuesto se emplea para fuentes que emitan a cualquier longitud de onda comprendida entre 0.65 (x=0.45) y 0.88µm (x=1).
Energía de Gap y longitud de onda de emisión vs fracción
molar x de aluminio
MATERIALES PARA FUENTES ÓPTICAS
Para comunicaciones en segunda y tercera ventana, se utilizan derivados de Fosfuro de Indio (InP), básicamente el compuesto obtenido es el , Variando los valores de x e y se puede obtener una fuente óptica cuya longitud central esté comprendida entre 1 y 1.7 µm
HETEROESTRUCTURAS
La configuración estructural más empleada para la fabricación de fuentes ópticas, es una configuración muy compleja denominada heteroestructura o heterounión.
Una heteroestructura permite el confinamiento tanto de electrones como de fotones dentro de una zona muy reducida llamada zona activa.
Una heteroestructura es similar a una estructura del tipo sandwich, donde sucesivas capas de materiales rodean a la unión pn central.
HETEROESTRUCTURA PARA UNA FUENTE DE
En la figura se tiene una unión del tipo , para conseguir un confinamiento de los portadores inyectados en la zona activa (zona n de la unión) se emplean para las zonas que la rodean materiales con gap de energía superiores, ello se puede realizar simplemente variando el valor de la fracción de x del .
Los electrones y huecos no pueden salir ya que ésta está rodeado por zonas de mayor gap de energía, por tanto quedan confinados en dicha región donde se recombinan.
las regiones que rodean a la zona activa poseen un índice inferior al de ésta, por lo que la zona activa se comporta como una guiaonda óptica confinando en su interior los fotones generados.
Doble heteroestructura para una fuente de
Tipo nzona
de guiado óptico y confinamiento
electrónico
Tipo pzona de guiado óptico y confinamiento
electrónico
CONSTANTE DE RED EN HETEROESTRUCTURAS
En una heteroestructura los diferentes materiales empleados deben de poseer una constante de red lo más semejante posible a la del material que compone el sustrato, esto es para evitar recombinaciones superficiales.
Para el caso de emplear , las constantes de red de los constituyentes de la heteroestructura han de ser muy similares a la del GaAs. Afortunadamente y según se puede observar la línea que une el GaAs ( con x=0) y el AlAs ( con x=1) es horizontal, lo que indica que cualquier compuesto del tipo independientemente del valor de xposeé aproximadamente el mismo valor de constante de red.
En el caso de fuentes para segunda ventana, el material base para el sustrato es el InP. La línea horizontal que caracteriza a los compuestos con igual constante de red que el InPexige que y=2.2x.
Constantes de red a (A) vs Energía de Gap
ENERGÍA DE GAP Y LONGITUD DE ONDA DE EMISIÓN
El valor de gap de energía para compuestos del tipo
[5.26]
Para compuestos del tipo , se tiene.
[5.27]
El valor de la longitud de onda de emisión de un determinado compuesto del tipo o , ya que .
[5.28]
𝑨𝒍𝒙𝑮𝒂𝟏−𝒙 𝑨𝒔 𝑰𝒏𝟏−𝒙𝑮𝒂𝒙 𝑨𝒔𝒚𝑷 𝟏−𝒚
5.5.DIODOS ELECTROLUMINISCENTES (LEDS)
Dispositivo de semiconductor, formada por una unión pn polarizada en directa, genera luz por emisión espontanea al recombinarse los electrones y huecos inyectados en la zona activa.
Los LEDs son adecuados para comunicaciones de corta distancia en primera ventana a velocidades no superiores a los 100-200 Mb/s y esto con fibras multimodo.
Actualmente se emplean LEDs junto con fibras monomodo en segunda ventana para comunicaciones a altas velocidades (1 Gb/s)
5.1.CARACTERÍSTICAS TÍPICAS
Poseen altos valores de eficiencia cuántica interna (50-80%)
Su geometría y patrón de radiación es apto para el acoplo de luz a la fibra óptica.
Pueden ser modulados sin dificultad hasta velocidades de 100-200 Mb/s, es posible llegar en algunos casos hasta velocidades de 1-2 Gb/s
Su coste es bajo, en comparación con los láseres de semiconductor, ya que su estructura es más sencilla.
Su circuitería de alimentación de control es muy sencilla, debido a los bajos niveles de corriente que son necesarios para que funcione el dispositivo, y a su relativa inmunidad frente a variaciones de temperatura, al no ser un dispositivo basado en una corriente como el láser de semiconductor.
Su característica potencia óptica de salida vs corriente eléctrica de entrada es lineal, lo que les hace adecuados para la transmisión de señales analógicas.
CARACTERÍSTICAS TÍPICAS
Muchos de los LEDs no se utilizan junto a fibras monomodo, esto se debe principalmente a que el porcentaje de potencia óptica generada en el interior del LED no llega a acoplarse de una manera optima a la fibra óptica. Debido a esto el LED se emplea casi exclusivamente en enlaces de fibra multimodo en primera ventana de corta distancia y velocidades moderadas (50-200 Mb/s) sin embargo estas se encuentran limitados por dispersión intermodal.
Además debido a que su anchura de línea es muy alta en comparación a los láseres de semiconductor, en caso de emplearse junto con fibras monomodo pueden generar una dispersión cromática muy significativa.
Sin embargo existen LEDs de InGaAsP que se utilizan para comunicaciones en segunda ventana junto con fibras monomodo. En este caso, y al ser el parámetro de dispersión cromática D mínimo, la limitación en longitud de este tipo de enlaces por dispersión cromática a velocidades moderadas (50-200 Mb/s) es inferior a la debida a dispersión intermodal en primera ventana, pudiéndose en consecuencia aumentar la distancia cubierta empleando una fuente de bajo coste y a velocidades de transmisión moderadas. Esta configuración es de gran interés con vistas a la introducción de la fibra en el bucle de abonado, ya que evita la necesidad de proporcionar un láser de semiconductor por cada abonado.
5.5.2.ESTRUCTURAS
La configuración elemental de un LED es una unión pn polarizada en directa, para mejorar sus características se emplea heteroestructuras. En general son tres los tipos de estructuras de LEDs que suelen emplearse:
A)LED de emisión superficial B)LED de emisión lateral C)LED superluminiscente
LED DE EMISIÓN SUPERFICIAL La fibra óptica esta unida al LED
mediante el empleo de una resina Epoxy. La región activa tiene forma circular por lo que se adaptada a la geometría del núcleo de la fibra, permitiendo optimizar el acoplo de potencia.
El diagrama de radiación de este tipo de LED es isótropo con una anchura de haz a 3dB de 120° en ambos planos perpendiculares al de la unión pn. Se le considera como una fuente del tipo Lambertiano de manera que la potencia acoplada a una fibra óptica de apertura numérica AN es proporcional a
Configuración de un LED de emisión superficial tipo Burrus
LED DE EMISIÓN LATERAL La luz generada en la zona activa se emite en el
plano de la unión pn. Las capas que rodean a dicha zona están formadas
por materiales de índice de inferior, por lo que la zona activa se comporta como una guiaonda dieléctrica plana encaminando la luz generada en su interior hacia las superficies laterales del dispositivo, donde sale al exterior para inyectarse a una fibra óptica.
La estructura básica de un LED de emisión lateral se muestra en la figura y es en esencia muy similar a la de un láser de inyección.
La longitud de la zona activa típica está comprendida entre 100 y 150 µm, mientras que la anchura de la zona viene controlada a través de una cinta metálica en la superficie por donde se inyecta la corriente al dispositivo y que posee unas dimensiones de 50-70 µm.
Por el hecho de existir una guiaonda en el plano perpendicular a la unión pn el patrón de radiación no es isótropo, sino que su anchura a 3dB es de unos 30° en dicho plano, siendo de 120° en el plano paralelo al de la unión.
Configuración de un LED de emisión lateral
LED DE EMISIÓN LATERAL El LED de emisión lateral proporciona menos
potencia al exterior (unas 2 o 3 veces menos) que el de superficie, ya que presenta problemas de reabsorción de la luz generada así como de recombinación superficial, Sin embargo acoplan más potencia óptica a fibras de apertura numérica baja (AN<0.3) debido a la mayor directividad de su patrón de radiación.
Además, la configuración del electrodo superior en forma de cinta metálica reduce la superficie de inyección de corriente al dispositivo, con lo que se puede conseguirse aumentar la densidad de corriente superficial inyectada al LED manteniendo la corriente.
Los LED de emisión lateral son capaces de inyectar potencias ópticas cercanas al miliwatio en fibras multimodo con corrientes de polarización de 0.5A, además de ser capaces de soportar velocidades de modulación superiores a los LEDs de emisión superficial a igualdad de corriente de polarización (hasta varios cientos de MHz).
Los LED de emisión lateral de InGaAsP se aplican en sistemas monomodo en segunda ventana donde la superficie de emisión posterior está cortada de forma inclinada para prevenir la realimentación de la señal a la zona activa y su comportamiento como laser. Puede modularse a velocidades entre 600 MHz y 1 GHz proporcionando una potencia de unos 4-6µW a una fibra monomodo al aplicarse corrientes de polarización entre 100-200mA.
LED de emisión lateral con superficie de emisión posterior
en plano inclinado
LED SUPERLUMINISCENTE SLDS Es similar a un laser porque genera luz mediante
emisión estimulada, pero al igual que un LED no posee realimentación de señal en la zona activa.
Los SLDs proporcionan altos valores de potencia óptica de salida y tienen anchura de línea más reducida que las de los LEDs normales.
La configuración estructural de un SLDs, es muy similar a los láseres de semiconductor.
La diferencia entre el SLD y el láser de semiconductor esta en que en una de las dos caras de salida del SLD se provocan una perdidas lo suficientemente elevadas como para que no exista señal reflejada que realimente a la cavidad.
La señal óptica generada en el interior del SLD se amplifica debido a la emisión estimulada conforme se propaga a través de la zona activa y sale al exterior por la otra cara (la señal sólo se propaga una vez a través de la zona activa antes de salir).
Este tipo de dispositivos es capaz de suministrar en segunda ventana potencias de orden de 1mW a una fibra monomodo al polarizarlos con una corriente de 150mA, siendo su anchura de línea de unos 30nm en comparación con los (80-100) nm de un LED normal.
Poseen mayor complejidad estructural que un LED normal, su característica potencia óptica-corriente no lineal y la mayor dependencia con la temperatura de la potencia óptica de salida.
Configuración estructural de un LED
superluminiscente
5.5.3 CARACTERÍSTICA DE POTENCIA ÓPTICA DE SALIDA-CORRIENTE ELÉCTRICA DE ENTRADA
La potencia es un concepto muy importante para la caracterización de un LED: curva óptica
Si denominamos (I) a la corriente inyectada a la unión pn que constituye el LED , entonces:entonces el número de portadores inyectados al dispositivo por unidad de tiempo es I/e. donde “e” es la carga del electrón 1.6·10^-19c.
En estado estacionario: portadores = pares electrón hueco
Ƞi = eficiencia cuántica interna Determina la proporción de
recombinaciones radiativas sobre el total
Entonces el número de de fotones que se genera por unidad de tiempo dentro del dispositivo es: Ƞi . I/e
Como la energía de cada fotón generado es E=hw
Por lo tanto la potencia interna que genera la zona activa del LED viene dada por:
Pi =Ƞ i (hw/e).I [5.29]
Definimos un nuevo parámetro Ƞ
e ,denominado eficiencia cuántica externa, que representa la proporción de fotones generados en la zona activa del LED que se extraen fuera de este.
Entonces l potencia la potencia óptica total emitida en el exterior por el LED es:
Pe = Ƞ i Ƞ e (hw/e).I [5.30] Para calcular Ƞ e hay que tener en
cuenta varios factores. Absorción interna del material La reflexión de la señal óptica en la interface
semiconductor medio
En cuanto a la absorción interna, esta puede reducirse muy significativamente mediante el empleo de heteroestructuras.
Para evaluar el efecto de las reflexiones consideramos el esquema mostrado en la figura 5.19 [del libro].
Fig. 5.19
El acoplo de luz generada dentro del led siempre es hacia un medio externo de menor índice de refracción (aire o fibra óptica)
La Ƞ e para una incidencia normal (ϴ = es muy pequeño)puede calcularse mediante:
Ƞ e =ne2/n(n+ne) 2 [5.32]
como ejemplo supongamos que deseamos acoplar un LED de GaAs(n=3.5) en una fibra óptica que genera en su interior una potencia optica de 10 mw, medio externo aire(n e=1),
Calculamos la potencia que se inyecta en la fibra para a) fibra nultimodo con AN=0.3
b) fibra monomodo con AN=0.05 Aplicando la ecuación [5.32] Obtenemos:
Ƞ e =0.014,por lo tanto P e = Ƞ e P i =140uW , es decir se emite al exterior 1.4% de la P en generada en el interior.
Luego la potencia acoplada el interior de la fibra es P f = Ƞ c P e , donde Ƞ c =AN 2
Para multimodo AN=0.3 P f =12.6uW=-19dBm (9%) Para monomodo AN=0.05 P f =0.35uW=-43.6dBm (0.25%)
Cosnta la dificultad de que existe para acoplar un nivel de potencia en una fibra monomodo.
Ƞ tot=Pe/VI [5.33]Pe=potencia electrica inyectada
Relacion P-I La pendiente de esta curva se
denomina R de LED y viene dada por:R=Pe/I= Ƞ e Ƞi (hw/eV)=V Ƞtot
[5.34]
Fig. 5.22
Respuesta del LED
5.5.4 Espectro del LED El espectro del diodo
electroluminiscente viene determinado por el correspondiente a la emisión espontanea, responsable de la generación de luz en sus zona activa.
Para el caso del LED es posible obtener una aproximación analítica:
R espon(w)=A0(hw-Eg)½e -(hw-Eg)/Kb.T
[5.36] El espectro dado por [5.36] se
representa en la siguiente figura:
GaAs= arseniuro de galio InGaAsP=arseniuro fosfuro de indio y galio
Fig. 5.21
Podemos observar: el espectro de LED es asimétrico
La anchura espectral del LED depende de longitud de onda de emisión, siendo mayor cuanto mayor es la longitud de onda.
A pesar de se asimétrica puede representarse mediante un función Gausiana, simétrica respecto a la longitud de onda central.
5.5.5. Respuesta de modulación del LED
Para determinar la respuesta del LED frente a una modulación electrónica de su corriente de entrada es necesario conocer el comportamiento dinámico del dispositivo.
Para estudiar la respuesta de modulación del LED supondremos que la corriente inyectada consta de una parte real e imaginaria.
I(t)=Ib+Im e^(jwmt) [5.39] La función de transferencia del LED:
H(wm)=1/1+jwmtc [5.42]
A partir de [5.42] se puede determinar la anchura de banda óptica como eléctrica de modulación del LED. Considerando que [5.42] relaciona potencias ópticas de salida del led.
Anchura de banda óptica de modulacion fe3dB=sqrt(3)/2.pi.tc
Para aplicaciones de ingeniería en diseño de enlace digital es importante conocer el tiempo de subida del pulso óptico generado por el LED.
Este tiempo es medido desde el 10%-90% del valor maximo:
TrLED =Ln(9)RC=ln9.(Cj+CD)RD [5.46]
Fig. 5.22
Resumen de características típicas de los LED para 1° y 2° ventana
Cuadro 5.1
GRACIAS
