FUENTES ÓPTICAS

Estudiantes: DANA ARTEAGA MUJICA

FABRICIO ALBIS LIQUITAYA

NELSON ARUQUIPA MOLLE

FUENTES ÓPTICAS

Componentes activos

Convertir la energía eléctrica en energía óptica

Permite que la salida de luz sea efectivamente acoplada dentro de la fibra óptica.

REQUERIMIENTOS PARA LAS FUENTES OPTICAS

Dimensiones compatibles con el de la fibra.Linealidad en la característica de conversión electro – óptica.Gran capacidad de modulación.

Modulación directa.

Suficiente potencia óptica de salida y eficiencia de acoplamiento.Funcionamiento estable con la temperatura.

Confiabilidad. (Tiempo de vida útil).

Bajo consumo de energía.

Economía.

Tamaño y configuración óptimas para el acoplo de luz en la fibra.

Relación lineal entre potencia emitida y corriente inyectada.

Emitir luz a longitudes de onda idóneas para la fibra.

FOTÓN Y GENERACIÓN DE LUZ

Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética

Rayos gamma Rayos XLuz ultravioleta

Luz infrarrojaLuz visible Microondas

• Su aspecto de partícula está relacionado con su momento lineal su existencia como partícula y la presión que ejerce sobre la materia adyacente.

• Los fotones no viajan a través del espacio, ni tienen una estructura fibrosa.

• Son globulares y son creados y destruidos al momento.

• Su cuantificación está relacionada con su momento angular constante, y su energía cuantificada forma dos espectros diferentes de cuerpo negro e ionizante.

EFECTO FOTOELÉCTRICO.

Son emisión de electrones por un material cuando se hace incidir sobre la radiación electromagnética. A veces se incluyen en el término otros tipos de interacción entre la luz y la materia.

Fotoconductividad Efecto fotovoltaico

Aumento de la conductividad eléctrica en diodos provocada por la luz.

Transformación parcial de la energía luminosa en energía eléctrica

TIPOS DE FUENTES ÓPTICAS.

DIODO LASER LED

Se usan universalmente como fuentes luminosas en los sistemas de comunicaciones ópticas, debido a que ningún otro tipo de fuente óptica puede modularse directamente a las altas velocidades de transmisión requerida, con tan baja excitación y tan baja salida. Para anchos de banda grandes y largos enlaces, el láser ofrece un mejor rendimiento.Para distancias cortas y medias con anchos de banda escasos, en donde la baja potencia de salida, la respuesta en frecuencia o la gran anchura espectral no sean factores limitativos, se suele escoger el LED

DIODO EMISOR DE LUZ (LED) (LIGHT EMITTING DIODE).

Las fuentes de luz no coherente LED son una unión p-n polarizada que emiten radiación óptica de acuerdo con la intensidad eléctrica que se haga pasar por la misma.

ESTRUCTURA DE UN LED1. Extremo superior abovedado de la cápsula de resina epoxi,

la existencia de esta lente permite concentrar el haz de luz que emite el chip y proyectarlo en una sola dirección. 

2. Cápsula 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 cápsula de resina epoxi, que sirve para

identificar el terminal negativo (–) correspondiente al cátodo del chip. 

6. Alambre terminal negativo (–) de conexión a un circuito eléctrico o electrónico externo.  

7. Alambre terminal positivo (+) correspondiente al ánodo 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 ánodo del chip.

ESTRUCTURA INTERNA DEL CHIP DE UN DIODO LED

El chip se compone de nitruro de galio (GaN) como elemento semiconductor

La corriente de electrones “I” penetra en el diodo LED por el cátodo (negativo)

Cuando a este chip se le aplica un voltaje que lo polarice de forma directa, los electrones adquieren la energía extra necesaria que les permite circular y atravesar las dos regiones que lo componen y pueden pasar a ocupar los huecos existentes en la región “P” (positiva). Los electrones continúan su recorrido por esa otra parte del diodo, circulan por el circuito externo, atraviesan la resistencia limitadora de corriente “R” y alcanzan, finalmente, el polo positivo (+) de la batería y se une a un hueco en la región “P”, el exceso de energía extra previamente adquirida procedente de la batería la libera en forma de fotón de luz.

TIPOS DE LEDS

LED de emisión lateral o por el borde, ELED

Superficie emisora de luz seméjate a una tira estrecha en el mismo plano de la unión p-n

La luz radia de forma transversal haciéndose más directiva y las pérdidas de acoplamiento a la fibra sean menores.

LED súper luminiscente, SLD

Una de sus caras por donde va a salir la luz es tallada y por tiene una cierta capacidad de reflexión, la otra cara no es tallada, de manera que el efecto laser no se presenta.

LED por emisión superficial, SLED

Desarrollado para aplicaciones con necesidades altas de velocidad de transmisión (mayores a 100Mbps)Emite luz en muchas direcciones pero concentrando la luz emitida en un área muy pequeña, lo que se conoce como diodo de Burrus.

PROCESO DE EMISIÓN

Se basa en la recombinación de electrones y huecos en una unión p-n, lo que provoca emisión de fotones.

Electroluminiscencia

λ=h𝑐𝐸

= Cte. de Plank= 6,6255 · 10-34 Julios por segundos

Longitud de onda de la luz emitida

C = Velocidad de la luz= 3·108 m/sE= Diferencia de energía

• En un LED la luz se emite según los 360° que corresponden en una radiación esférica, pero en la práctica esto queda limitado por la construcción mecánica del diodo, la reflexión de la luz en el material metalizado y la absorción en el metal semiconductor.

• La apertura numérica puede variar desde 0,9 para un LED de gran ángulo hasta 0,2 para uno de estrecho ángulo.

PROCESO DE EMISIÓN

• La luz del diodo puede filtrarse, de modo que solamente parte del espectro total pase a la fibra, pero esto se hace a costa de una disminución de la potencia disponible de la fuente de luz

• Un ancho de banda típico para un buen diodo es de 200Mhz. Rendimientos de 50 µW/mA son usuales, y no se requiere corriente umbral.

CARACTERÍSTICAS Y USOS DEL LED

LASER LED

Más rápido Mayor estabilidad térmica

Potencia de salida mayor

Menor potencia de salida, mayor tiempo de vida

Emisión 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

• Fibras multimodo de apertura numérica alta.

• Secciones de regeneración pequeña o recorridos cortos como en redes locales o tendidas en pequeñas áreas.

• Baja velocidades de modulación, función del ancho de banda permitido.

LASER (LIGHT AMPLIFICATION BY SIMULATED EMISSION OF RADIATION)AMPLIFICACIÓN DE LUZ POR EMISIÓN ESTIMULADA DE RADIACIÓN

Fuentes de luz coherente de emisión estimulada con espejos semireflejantes formando una cavidad resonante, para realizar la retroalimentación óptica.

Emite haces luminosos estimulados y por lo tanto coherentes.

Produce que se aumente la potencia de salida, disminuyan los anchos espectrales y el haz de luz sea mucho más directivo.

El funcionamiento del diodo láser lo determinan su composición química y su geometría.

ESTRUCTURA COMPOSICION QUIMICA DE UN DIODO LASER DE ESTADO SÓLIDO

Los diodos láser que emiten en la región 0.78 a 0.9 micrón, están formados por capas de arseniuro de galio (GaAs) y arseniuro de aluminio y galio (ALGaAs) desarrollado sobre un subestrato de GaAs.

Cuando pasa la corriente por los contactos metálicos los electrones inyectados desde la capa tipo N y los huecos inyectados desde la capa tipo P se recombinan en el área activa delgada, y emiten luz.

La acción lasérica comienza al incrementarse la corriente.

Los dispositivos para longitud de onda mayor, que emiten a 1.3 a 1.67 micrones, se fabrican con capas de arseniuro fosfuro de indio y galio (InGaASP) y fosfuro de indio (InP), desarrollado sobre un subestrato de InP.

TIPOS DE DIODOS LASER

FABRY PEROT

Constituido por dos espejos en los extremos de la guía, constituyéndose en una cavidad resonante donde la luz es reflejada y vuelta a reflejar entre los dos espejos a ambos lados del semiconductor

Se utiliza para la transmisión de datos en el retorno.

VCSEL

Posee espejos resonadores arriba y abajo de la capa activa, lo que produce que la luz resuene perpendicular a la juntura y emerja a través de un área circular en la superficie.Se usa comúnmente con la fibra multimodo.

DFB

La red de difracción se distribuye a lo largo de todo el medio activo.

DBR

La longitud de onda de la red determina la longitud de onda emitida por el láser, en una línea muy fina del espectro

La red de difracción esta fuera de la zona activa, en donde no circula corriente

Los diodos DFB y DBR son utilizados en fibras monomodo y son sensibles a variaciones de temperatura.

TIPOS DE DIODOS LASER

LA RED DE DIFRACCIÓN SE DISTRIBUYE A LO LARGO DE TODO EL MEDIO ACTIVO.

DFB (Distributed FeedBack Laser)

PROCESO DE EMISIÓN.

A) ABSORCIÓN

B) BOMBEO

Volumen de generación pequeño y alta concentración de portadoras inyectados

Espectro estrechoLa pastilla láser suele tener una longitud de 300nm, con dos caras cuidadosamente cortadas en ambos extremos a modo de espejos. El origen de la misión de fotones es la recombinación directa electrón-hueco en la capa activa.

no libera energía.

Estado metaestable o inestable

PROCESO DE EMISIÓN

C) EMISIÓN ESPONTÁNEA

D) EMISIÓN ESTIMULADA:

PROCESO DE EMISIÓN

COMPONENTES DEL DISPOSITIVO LÁSER

,

PROPIEDADES DEL HAZ LÁSER

Monocromático Direccional Coherente De una sola longitud de onda. En realidad, de un ancho espectral bastante estrecho.

Patrón de radiación contenido en una región angular pequeña, haciendo el acople con haciendo el acople con fibras monomodo más fácil y eficiente.

Todas las ondas individuales están en fase una con otra en cada punto. La coherencia es el término usado para describir la propiedad de fase de las ondas de radiación óptica del haz.

CARACTERÍSTICAS DE LOS LÁSER.

Láser se utiliza generalmente en sistemas de comunicación con:• Potencias ópticas de salida alta.• Fibras nomomodo o multimodo.• Alta velocidad máxima de modulación y grandes

capacidades de transmisión.• Gran longitud, donde se requiere alta potencia y baja

dispersión en la fibra.

DIFERENCIAS ENTRE DIODOS LED E ILD.

Item LED ILDTipo de Fibra MM SM, MMTx de Datos Bajo AltoTiempo de vida Largo CortoCosto Bajo Alto

DIFERENCIAS ENTRE DIODOS LED

E ILD.

LASER LEDMás rápido Mayor estabilidad térmicaPotencia de salida mayor Menor potencia de salida, mayor tiempo de

vidaEmisión coherente de luz Emisión incoherenteConstrucción es más compleja Más económicoActúan 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