INTRODUCCIÓN A LA

FIBRA ÓPTICA LECCIÓN 4: Concepto de fuente óptica y

transmisor

EDSEL ENRIQUE URUEÑA LEÓN

Lección 4: Concepto de fuente óptica y transmisor

Objetivos del curso

Al inicio de cada capítulo se indican los objetivos del curso. Estos objetivos sirven como información previa para saber qué es lo que va a aprender en el capítulo. A continuación se enumeran los objetivos del curso.

Nociones fundamentales de Comunicaciones con fibra óptica.

Fibra óptica. Conceptos.

Comunicaciones con fibras ópticas: Diseño, implementación y trabajo.

Este es un curso técnico dirigido a estudiantes que tengan conocimientos básicos de matemáticas y ciencias. El curso a veces podrá incluir detalles dirigiéndose a estudiantes con un conocimiento preliminar más avanzado, pero éstos no son obligatorios para el completo entendimiento del tema en cuestión, y podrán saltearse.

El material está ordenado por niveles de modo que los alumnos lo

puedan seguir en forma fácil, comenzando con términos básicos y

siguiendo al final hacia los temas más avanzados. Por lo tanto,

recomendamos avanzar las lecciones una tras otra, no obstante

aquellos que estén parcialmente familiarizados con la tecnología de

fibras ópticas podrán proceder en forma diferente.

Enfatizamos los términos importantes que aparecen por primera vez mostrándolos en color.

Objetivos de la lección

Tras finalizar las actividades del laboratorio, deberá:

Comprender los siguientes parámetros eléctrico/ópticos: ciclo de trabajo, velocidad o tasa de datos, tiempo de subida, y tiempo de bajada.

Comprender la estructura y la función de las fuentes del transmisor óptico: Diodo emisor de luz (LED), y diodo láser (LD).

Transmisores de fibra óptica

El transmisor de fibra óptica es un dispositivo híbrido electro-óptico. Convierte señales eléctricas en ópticas y envía las señales ópticas a una fibra óptica. Un transmisor de fibra óptica consiste de un circuito de interfaz, un circuito controlador de la fuente, y una fuente óptica. El circuito interfaz acepta la señal eléctrica 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 óptica variando su propia corriente.

La señal óptica se junta, se acopla a la fibra óptica a través de la interfaz de salida del transmisor.

Hay dos tipos de diodos de juntura de emisión de luz que se usan como fuente óptica del transmisor.

Esta el diodo emisor de luz (LED, acrónimo inglés de Light-Emitting Diode), y el diodo láser (LD). Los LED son más simples y generan luz incoherente, y de potencia baja. Los LD son más complejos y generan luz coherente, y de potencia alta.

El gráfico ilustra la potencia de salida óptica, P, de cada uno de estos dispositivos en función de la corriente eléctrica de entrada I, del circuito de modulación. En la figura se ve que el LED tiene una característica P-I relativamente lineal, mientras que el LD tiene una característica no lineal o efecto umbral. El LD también tiene una propensión a tener pliegues donde la energía disminuye con el aumento del ancho de banda.

Transmisores de fibra óptica

Aunque los semiconductores LED y LDs son muy parecidos, las únicas diferencias en los diseños del transmisor resultan de diferencias entre las fuentes LED y LD.

Los diseños del transmisor compensan diferencias en la potencia de salida, respuesta en el tiempo, linealidad, y comportamiento térmico entre LED y LDs para asegurar una operación apropiada del sistema. Las alinealidades causadas por el calentamiento de la juntura en los LED e inestabilidades de modo en los LDs hacen necesario en algunos casos el uso de circuitos lineales dentro del transmisor.

Los transmisores ópticos que usan LDs requieren circuitos más complejos que los transmisores que usan LED. El requisito básico para sistemas digitales es controlar un circuito para conmutar la salida óptica a altas velocidades en respuesta a niveles de tensión lógicos en la entrada del circuito controlador (driver).

Debido a que los LDs son dispositivos del umbral, estos se suministran con una polarización apenas por debajo del umbral en el estado de apagado. A esta polarización se la llama a menudo previas o pre polarización. Una razón para la pre polarización del LD es reducir el retraso de apertura en sistemas digitales.

La mayoría de los transmisores LD contienen un circuito de control de potencia de salida para compensación por sensibilidad de temperatura. Este circuito mantiene la salida del LD a un valor promedio constante ajustando la corriente de polarización del láser. En la mayoría de los casos los transmisores LED no contienen circuitos de control de potencia de salida. Los transmisores LD y LED pueden también contener dispositivos de refrigeración para mantener la fuente a una temperatura relativamente constante. En general los transmisores LD pueden tener algunas de las siguientes opciones: refrigeración interna termoeléctrica o bien requieren una temperatura externa relativamente controlada.

Debido a que los LDs requieren circuito más complejo que los LED, los transmisores de fibra óptica que usan LD son más caros.

Las interfaces de salida del transmisor generalmente se encuentran entre dos categorías: conectores ópticos y cable flexible de conexión de fibra óptica o pigtail. Las pigtails ópticos se conectan a la fuente óptica del transmisor. Este pigtail generalmente se lo enruta fuera del paquete transmisor como una fibra revestida en un tubo suelto o en un solo cable de fibra. El pigtail puede estar soldado o pegado con epoxi al paquete del transmisor para suministrar una buena retención de la fibra. Y para proveer una retención adicional de la fibra también se conecta el tubo de la fibra al paquete del transmisor.

La interfaz de salida del transmisor puede ser un conector de fibra óptica. La fuente óptica se puede acoplar al conector de la salida óptica a través de una fibra óptica intermedia. Un extremo de la fibra óptica se conecta a la fuente. El otro extremo al conector de salida del transmisor óptico.

La fuente óptica puede también acoplarse al conector óptico de la salida sin ninguna fibra óptica intermedia. La fuente óptica se coloca dentro del paquete del transmisor para enviar la potencia directamente a la fibra del conector óptico de acoplamiento. En algunos casos se usa lentes para acoplar más eficientemente la luz de la fuente en el conector del acoplador óptico.

Paquetes de transmisores de fibra óptica

Los transmisores de fibra óptica vienen en distintos tamaños y formas. Los transmisores de fibra óptica menos complejos se empaquetan en encapsulado de contorno de transistor (TO) o módulos de microcircuito híbridos de encapsulado en doble línea (DIPs).

Estos transmisores simples requieren circuitos separados en el equipo del sistema para proporcionar una señal de entrada aceptable al transmisor.

En el mercado se encuentran disponibles transmisores de fibra óptica más complejos que tienen alguno o todos los acondicionadores de señal integrados en un circuito ya empaquetado.

Estos transmisores típicamente vienen encapsulados en módulos de microcircuitos híbridos, en capsulas tipo DIP, tarjetas de circuito, o conversores de fibra óptica independientes.

Los conversores de fibra óptica independientes y las tarjetas de circuito en general contienen fuentes en el encapsulado TO, o en uno de los paquetes de microcircuitos híbridos.

Para los usos comerciales, los paquetes más populares del transmisor son los del tipo de encapsulado TO y los de microcircuito híbrido DIP.

Aplicaciones de los transmisores de fibra óptica

Los transmisores de fibra óptica se pueden clasificar en dos categorías: digitales y analógicos.

Los transmisores digitales producen dos niveles de potencia óptica discreta. Estos niveles esencialmente son 0 y 1 (on y off) con excepción que hay luces que emiten en estado off por algunos transmisores.

Los transmisores analógicos varían continuamente el nivel de la potencia óptica de salida en función de la señal eléctrica de entrada.

Aplicaciones digitales

Para cada aplicación digital hay distintos tipos de transmisores de fibra óptica. Para cada uso específico, velocidad de datos del enlace, longitud de transmisión, y ambiente de funcionamiento, influyen en la elección del tipo de fuente, longitud de onda central, ancho del espectro, y tipo de paquete.

Para aplicaciones de baja velocidad de datos, los transmisores de fibra óptica en general usan LED que funciona tanto en la ventana de 850 nm o de 1300 nm como su fuente.

Para las tasa de datos más bajas (0 a 20 megabits por segundo (Mbps)), las fuentes tienden a operar en la ventana de 850 nm. Para tasa de datos más moderadas (50 a 200 Mbps), las fuentes tienden a operar en la ventana de 1300 nm. Las fuentes de láser casi nunca se utilizan en aplicaciones con una tasa de datos baja.

Las fuentes láser se usan solamente cuando se requieren potencias de salida extremadamente altas en el transmisor. Los paquetes que se encuentran en usos con tasas bajas de datos se incluyen los tipos de paquete discutidos anteriormente.

Longitud de onda de operación

Los sistemas de comunicación de fibra óptica funcionan en ventanas de longitud de onda de 850 nm, 1300 nm, y 1550 nm. Las fuentes del semiconductor se diseñan para funcionar en las longitudes de onda que reducen al mínimo la absorción de fibra óptica y maximizan el ancho de banda del sistema.

Al diseñar una fuente óptica que funcione en las longitudes de onda específicas, se pueden minimizar las absorciones de impurezas en la fibra óptica, tales como iones oxidrilo (OH-). La maximización del ancho de banda del sistema implica el diseño de fibras ópticas y de fuentes que reducen al mínimo la dispersión cromática e intermodal en la longitud de onda operacional prevista.

Inicialmente, las propiedades de materiales de las fuentes de semiconductores ópticos se suministraron para la emisión óptica en la región de longitud de onda de 850 nm. Una longitud de onda

operacional de 850 nm evita la pérdida de absorción de la fibra de impurezas del OH- cerca de la longitud de onda de 900 nm. Las fuentes de luz para sistemas de 850 nm originalmente fueron los semiconductores LED y lásers. Actualmente, la mayoría de los sistemas de 850 nm utilizan los LED como fuente de luz. Los LEDs que funcionan en 850 nm proporcionan suficiente potencia óptica para sistemas de corta distancia, y de bajo ancho de banda.

Sin embargo, la dispersión en la fibra multimodo, la atenuación relativamente alta de la fibra, y la potencia de salida óptica relativamente baja de los LED previenen el uso de estos dispositivos en sistemas de largas distancias, y de gran capacidad.

El primer desarrollo que permitió que la longitud de onda de operación se mueva de 850 nm a 1300 nm fue la introducción de la fibra óptica multimodo de índice gradual.

Las fibras multimodo de índice gradual tienen una dispersión intermodal substancialmente más baja que las fibras multimodo de salto de índice. Los sistemas que funcionan en 850 nm no pueden tomar una completa ventaja de la baja dispersión intermodal de la fibra debido a la alta dispersión cromática en 850 nm.

Sin embargo, el uso de fibras ópticas multimodo de índice gradual permite que LEDs de 850 nm funcionen satisfactoriamente en distancias cortas, y sistemas de ancho de banda más altos.

Después de las mejoras en los diseños de fibra multimodo, la generación siguiente de LEDs se diseñó para proporcionar emisión óptica en la región de 1300 nm. Los sistemas de fibra óptica multimodo de índice gradual que usan estos LED pueden operar en grandes distancias y en anchos de banda más altos que en los sistemas de 850 nm. El uso en grandes distancias y en enlaces de gran ancho de banda (que en otras palabras significa gran capacidad de transmisión de datos) se puede lograr porque las pérdidas y la dispersión del material de la fibra se reducen significativamente en la región de 1300 nm.

Los avances en el diseño y la construcción de fibras monomodo aceleraron el desarrollo de los semiconductores LED y LD optimizados para las fibras monomodo. Las fibras monomodo tienen valores muy bajos de dispersión. Sin embargo, los LED existentes no podían enfocar ni enviar suficiente potencia óptica en las fibras monomodo para sistemas de comunicaciones de larga distancia (long-haul), de gran ancho de banda.

Existen nuevos semiconductores LEDs y LDs capaces del operar en fibras monomodo en 1300 nm, los cuales toman la ventaja del muy bajo valor de dispersión de la fibra monomodo. Además, los LED y LDs que operan en 1550 nm se desarrollaron para aprovechar las bajas pérdidas de la fibra.

Semiconductores Diodos emisores de luz (LED) y Diodo láser (LD)

Los semiconductores LED emiten luz incoherente.

La emisión espontánea de luz en el semiconductor LED produce ondas de luz cuya fase no es uniforme. Se llama incoherente a las ondas de luz cuyas fases no son uniformes.

La emisión espontánea de luz se discute más adelante en este capítulo en forma más detallada. El uso de LED en sistemas del monomodo es seriamente limitado porque emiten luz incoherente desenfocada.

Incluso los LED desarrollados para los sistemas monomodo no pueden enviar suficiente potencia óptica en las fibras monomodo para muchas aplicaciones. Los LED son la fuente óptica preferida para los sistemas multimodo porque pueden enviar suficiente potencia en un costo más bajo que el semiconductor LD.

Los semiconductores LD emiten luz coherente.

Los LD producen ondas de luz con una relación de fase fija (espacial y temporal) entre los puntos de la onda electromagnética. Se llama luz coherente a las ondas de luz que tienen una relación de fase fija. La emisión estimulada de la luz se discute más adelante en este capítulo. Puesto que los semiconductores LD emiten la luz más enfocada que los LED, pueden enviar potencia óptica en fibras ópticas monomodo y multimodo.

Sin embargo, los LD se usan en sistemas de fibra monomodo porque requieren circuito controladores más complejos y más costosos que los LED.

Semiconductores Diodos emisores de luz (LED) y Diodo láser (LD)

La potencia óptica producida por fuentes ópticas puede extenderse de

los microwatts (µW) para LEDs a decenas de microwatts (W) para el LDs. Sin embargo, no es posible de acoplar con eficacia toda la potencia óptica disponible dentro de la fibra óptica para la transmisión.

Típicamente, los semiconductor lásers emiten la luz extendida en un ángulo de 10 a 15 grados. Los semiconductor LED emiten la luz con ángulos más grandes. Las pérdidas de acoplamiento de varios decibeles pueden ocurrir fácilmente al acoplar la luz de una fuente óptica a la fibra, especialmente con los LED.

La eficacia del acoplamiento fuente a fibra es una medida de la potencia óptica relevante. La eficacia del acoplamiento depende del tipo de fibra al que está conectada la fuente óptica. La eficacia del acoplamiento también depende de la técnica de acoplamiento.

El acoplamiento fuente a fibra implica centralizar con exactitud un extremo de la fibra con la región de emisión de la fuente de luz. Si la cara del extremo de la fibra se coloca directamente sobre la región de emisión de la fuente, se trata de un acoplamiento a tope o butt-coupling. Si el patrón de luz de salida de la fuente es más grande que el patrón de aceptación de la fibra, la eficacia de acoplamiento fuente a fibra se puede mejor colocando una lente pequeña entre la fuente y la fibra. Los esquemas de estratificación mejoran la eficiencia del acoplamiento cuando a las fibras ópticas se acoplan LED y LD.

Diodos emisores de luz

Un diodo emisor de luz (LED) es un dispositivo semiconductor que al pasar una corriente por él emite luz incoherente, a través de emisión espontánea. Los LED para la región de 850 nm típicamente se

fabrican usando GaAs y AlGaAs. Los LED para la región de 1300 nm y 1550 nm se fabrican usando InGaAsP y InP. Los tipos básicos de LEDs usados para los sistemas de comunicación con fibra óptica son el LED de emisión superficial (SLED), el LED emisor de borde (ELED), y el diodo súper luminiscente (SLD).

Los distintos rendimientos de los LED ayudan a los diseñadores de enlaces a decidir qué dispositivo es apropiado para cada aplicación. Para distancias cortas (0 a 3 kilómetros), sistemas de fibra óptica de baja velocidad de datos, se prefieren las fuentes ópticas SLED y ELED. Los SLEDs funcionan eficientemente para velocidades de hasta 250 megabits por segundo (Mb/s). Los SLEDs se usan casi exclusivamente en sistemas multimodo pues emiten luz sobre una extensa área (ángulo amplio de campo lejano).

Diodos láser

Los emisores de luz son un elemento clave en cualquier sistema de fibra óptica. Este componente convierte la señal eléctrica en una señal de luz correspondiente que se pueda inyectar en la fibra. El emisor de luz es un elemento importante porque a menudo es el elemento más costoso del sistema, y sus características influencian a menudo fuertemente los límites del rendimiento final en un enlace dado.

Los diodos láser son semiconductores complejos que convierten una corriente eléctrica en luz. El proceso de conversión es bastante eficiente ya que genera poco calor comparado con las luces incandescentes. A continuación enumeramos cinco características inherentes que hacen al láser atractivo para usar en la óptica fibra.

El área de emisión es pequeña, comparable a las dimensiones de las fibras ópticas.

Son pequeños.

Poseen alta radiación (es decir, emiten lotes de luz en un área pequeña).

Tienen una muy larga vida, ofreciendo alta confiabilidad.

Se pueden modular (cambiar de 0 a 1) a altas velocidades.

Comparación entre diodos LED y Láser

La siguiente tabla compara las principales características entre diodos láser y LED.

A lo largo del curso se discuten estas características en mayor detalle.

Ciclo de trabajo

El ciclo de trabajo de un circuito astable es la proporción del ciclo completo para la cual la salida es alta (el tiempo de marca). En general se lo expresa como porcentaje.

Velocidad de transmisión de datos

Velocidad de transmisión de datos: Es la cantidad de bits de información en un sistema de transmisión, expresado en bits por segundos (b/s o bps), y que no necesariamente debe ser igual a la velocidad de baudios.

Potencia de salida del transmisor óptico

Diversos tipos de transmisores de fibra óptica también se usan para diferentes aplicaciones analógicas. Cada aplicación específica, tipo de señal analógica, longitud de transmisión, y entorno de funcionamiento influencian el tipo de fuente, longitud de onda central, ancho espectral, y elección del tipo de paquete.

Para aplicaciones de frecuencias bajas: Los transmisores de fibra óptica analógicos usan en general LED que funcionan en la ventana de 850 nm o 1300 nm. Los usos típicos de baja frecuencia son los sistemas analógicos de audio y vídeo de canal único. Para estos sistemas, las fuentes tienden a funcionar en la ventana de 850 nm. Para aplicaciones de la frecuencias moderadas, las fuentes tienden a funcionar en la ventana de 1300 nm. Estos tipos de sistemas incluyen los sistemas analógicos de audio y vídeo multicanal así como los sistemas de frecuencia modulada (FM). Las fuentes de láser casi nunca se usan en aplicaciones analógicas de frecuencias bajas o moderadas. La razón principal es que las fuentes de láser requieren del agregado de circuitos complejos. Las fuentes láser se usan solamente si la aplicación requiere potencias de salida del transmisor extremadamente altas. La mayoría de los transmisores analógicos de baja frecuencia son módulos de microcircuitos híbridos, tarjetas de circuito, o cajas independientes.

Para aplicaciones de alta frecuencia: los transmisores de fibra óptica usan como fuentes diodos láser. Las aplicaciones típicas de alta frecuencia son en líneas troncales para la televisión por cable y radar remoto base. Los LD funcionan típicamente en las ventanas de 1300 nm o 1550 nm. Los transmisores de 1550 nm son muy usados en líneas troncales para la televisión por cable. Otras aplicaciones pueden usar LD tanto en 1300 nm o 1550 nm. Los transmisores de alta frecuencia son predominantemente tarjetas de circuito, pero también se usan algunos módulos de microcircuito híbridos. Todos los transmisores analógicos de alta frecuencia contienen disipadores TE, y también circuito de control de potencia y linearización.

Tiempo de subida y Tiempo de bajada

Tiempo de subida (Rise Time): Una medida de la inclinación del flanco anterior de un pulso. Más concretamente, es el tiempo que tarda la amplitud instantánea en cambiar del 10% al 90% del valor de pico. Alternativamente se puede medir al tiempo de subida entre los puntos del 80% y del 20%. Tiempos de subidas más cortos o más rápido requiere mayor ancho de banda en un canal de transmisión.

Tiempo de bajada (Fall Time): También llamado tiempo de apagado o desactivación. Es una medida de la pendiente del flanco posterior de un pulso, es el tiempo necesario para que la amplitud instantánea del pulso varíe desde el 90% al 10% del valor pico de su amplitud; es el tiempo requerido por un componente para producir tal resultado. En general se mide entre los puntos del 90% y del 10% o alternativamente los puntos del 80% y del 20%.

Fuente:

Material de Fibra óptica, desarrollado por Degem. Lección 4.