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Nov- 05

IEM

Transmisores

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Transmisores en Comunicaciones Opticas

Interacción radiación materia en niveles atómicos

Conceptos básicos de semiconductores

Interacción radiación-materia en semiconductores

Unión p-n, doble heterounión

Materiales para emisores ópticos

1. INTRODUCCION Y CONCEPTOS BÁSICOS

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TRANSMISORES EN COMUNICACIONES ÓPTICAS

Transmisores: conversores electro-ópticosTipos:

• Light Emitting Diode (LED)• Laser Diode (LD)

Requisitos ideales (dependiendo de aplicación):• Alta potencia en la fibra• Alta velocidad de conmutación• Espectro de emisión estrecho; longitud de onda

estable• Conversión E/O: lineal (analógicos), sin ruido• Baja dependencia con la temperatura• Otras características: tamaño, precio, fiabilidad....

CIRCUITO DEATAQUE Y

POLARIZACIÓN LEDo

LD

F. O.

V

V (t) P (t)

El papel del transmisor en un sistema de Comunicaciones Ópticas es la conversión de la señal eléctrica de entrada en su correspondiente señal óptica y acoplarla a la fibra óptica que sirve como medio de transmisión.

El componente principal del transmisor es el emisor o fuente óptica. Los dos tipos de dispositivos habitualmente empleados como emisores son el Diodo Emisor de Luz (LED) y el Diodo Láser (LD), también conocido como Láser de Semiconductor o Láser de Inyección.

El transmisor óptico puede incluir adicionalmente al emisor otros componentes, tales como los circuitos electrónicos de ataque y polarización (driver), un fotodiodo de control de potencia, un sistema de control detemperatura, y la óptica necesaria para realizar el acoplo a fibra.

Las características más importantes del transmisor desde el punto de vista de su aplicación a un sistema son la potencia óptica que es capaz de acoplar a fibra, su velocidad de conmutación y su anchura espectral.

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ABSORCIÓN

E2

EMISIÓN ESPONTÁNEA EMISIÓN ESTIMULADA

E1

dN1/dt = -B12 · N1 · ( ) + A21 · N2 + B21 · N2 · ( ) = - dN2/dt = 0

N2/N1 = exp [- (E2 - E1) /kT] = exp (-h /kT)

( ) = A21 / [ B12 · (N1/ N2) - B21] = A21 / [ B12 · exp (h /kT) - B21]

Coeficientes de Einstein

Existen tres tipos de procesos de interacción entre la radiación y la materia: absorción, emisión espontánea y emisión estimulada.La figura ilustra los tres procesos en el caso de niveles atómicos, tomando como referencia dos niveles atómicos de energías E1 y E2.(a)Absorción: un electrón en el nivel E1 absorbe un fotón de energía (E2 - E1) y pasa al nivel E2.(b)Emisión espontánea: un átomo en el nivel E2 pasa al nivel E1 emitiendo un fotón de energía (E2 - E1). (c)Emisión estimulada: un fotón, de energía (E2 - E1), estimula una transición de un átomo del nivel E2 al nivel E1, generándose un segundo fotón idéntico al primero en todas sus propiedades (frecuencia, fase, dirección, polarización...).Las probabilidades de transición de cada uno de estos procesos pueden formularse considerando las constantes de proporcionalidad de Einstein B12 paraprocesos de absorción, B21 para procesos de emisión estimulada y A21 paraprocesos de emisión espontánea. Se considera que el número de átomos en el nivel energético E1 es N1 y en el nivel E2 es N2 y que la densidad de energía de radiación a la frecuencia tal que h = E2 - E1 es ( ).En equilibrio la relación entre N1 y N2 vendrá dada por la función de Boltzmann, con lo que es posible obtener ( ) en función de B12, B21, A21 y h .

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Radiación del Cuerpo Negro

( ) = (8· ·h· 3/c3) / [ exp (h /kT) - 1] Ley del cuerpo negro

B12 = B21 A21/ B12 = (8· ·h· 3/c3)

La densidad de energía emitida por un cuerpo negro en equilibrio a una temperatura T viene dada por la ley del cuerpo negro, propuesta por Plank al considerar la existencia de cuantos o unidades discretas de energía. Al identificar términos de la ley del cuerpo negro con la densidad de energía en equilibrio con la materia, se obtienen relaciones entre los coeficientes de Einstein. A partir de estas relaciones se deduce que en equilibrio la emisión espontánea predomina frente a la estimulada, y que las tasas de absorción y de emisión estimulada tienen el mismo coeficiente de proporcionalidad.

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Inversión de población

dN2/dt = B21 · ( ) · (N2 - N1) - A21 · N2

La tasa de emisión estimulada neta será proporcional a la diferencia (N2 - N1). Si el material está en equilibrio, N1 > N2, con lo que predominará la absorción sobre la emisión estimulada. Por el contrario, si se saca el material de equilibrio mediante un bombeo que lleve átomos del nivel E1 al nivel E2, se podrá alcanzar la denominada inversión de población (N2 > N1), con lo que la emisión estimulada predominará frente a la absorción.

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Ganancia

Inversión de población:

N2 > N1 g > 0

Absorción (cm-1)

Ganancia g = -

I (x) = I0 exp (- x)

g > 0 Amplificación

g < 0 Atenuación

g = 0 TransparenciaMEDIO

I0

x

g > 0

g < 0

Cuando un haz óptico recorre un medio, puede ser amplificado, atenuado o no afectado, en función del valor del coeficiente de ganancia (absorción) a la longitud de onda de la radiación. En general, la variación de la intensidad óptica I en un diferencial de longitud dz será proporcional a la intensidad y al coeficiente de ganancia:

dI = g I dzLa integración de esta ecuación diferencial nos dará el típico crecimiento exponencial

si la ganancia es positiva, o decrecimiento exponencial si la ganancia es negativa (o coeficiente de absorción positivo)

El coeficiente de ganancia es proporcional a la tasa de emisión estimulada neta, y por lo tanto a la diferencia (N2 - N1). Ello indica que en equilibrio, predominará la absorción, o el material será transparente (g = 0) si no existe ninguna transición a la energía del fotón considerado. En cambio, si se aporta energía al medio de la forma adecuada (bombeo), y se consigue la condición de inversión de población, el material presentará ganancia óptica positiva, siendo capaz de amplificar la radiación.

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NIVELES ENERGÉTICOS Y BANDAS DE ENERGÍA

METAL

SEMICONDUCTOR

Gap de Energía

AISLANTE

Banda de conducción

Banda de valencia

Banda de conducción

Banda de valencia

Banda de conducción

Banda de valencia

Gap de EnergíaATOMO SÓLIDO

E2

E1

EC0

EV0

EG

Banda de Conducción

Banda de Valencia

Es bien sabido que los electrones en los átomos están caracterizados por niveles discretos de energía. En el caso de los sólidos, la próximidad de los átomos da lugar a un desdoblamiento de los niveles energéticos en un conjunto de valores discretos próximos entre sí, que aproximamos por un continuo de energías que denominamos bandas.

La banda de energías más altas se denomina banda de conducción (BC) y la siguiente, de energías menores, banda de valencia (BV). La diferencia de energía entre el mínimo de la BC y el máximo de la BV es el gap de energía (zanja, salto).

Los diferentes tipos de sólidos cristalinos pueden caracterizarse por la disposición de las bandas de energía, y su nivel de llenado de electrones. Los metales tienen la última banda parcialmente llena de electrones; los semiconductores y aislantes tienen gap de energía, con la BV llena de electrones y la BC vacía. Si el gap toma valores entre 0,1 y 2,5 eV nos referimos a materiales semiconductores, y con gaps mayores hablamos de aislantes, aunque las fronteras no están definidas y también depende de otras propiedades de los materiales.

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BANDAS EN SEMICONDUCTORES

Vector de onda k

Ener

gía

k = 0

EC0

EV0

EG

EC = EC0 + (h k)2 /2mC

EV = EV0 - (h k)2 /2mV

Los diagramas de dispersión, de bandas, o E-k, relacionan el vector de onda k con la energía en los estados energéticos de las bandas. Son consecuencia de la consideración de los electrones como onda en un sólido cristalino, lo que implica unos ciertos valores posibles de su vector de onda k y de su correspondiente energía.

En los valores de mínima energía de la BC, la relación entre la energía de los estados electrónicos y su vector de onda es aproximadamente cuadrática. El valor de la masa efectiva de los electrones en la masa de conducción mCrepresenta el efecto de la red atómica del sólido sobre el movimiento de dichos electrones en comparación con un electrón libre.

En la banda de valencia la relación E-k da lugar a una masa efectiva de los electrones mV negativa, lo que significa que el movimiento del conjunto de electrones de esa manda es equivalente al de una partícula con carga positiva y masa mV, que denominamos hueco.

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OCUPACIÓN DE LAS BANDAS: EQUILIBRIO

Vector de onda k

Ener

gía

Vector de onda k

Ener

gía

Vector de onda k

Ener

gía

EF

EF

EF

Intrínseco: T = 0 Intrínseco: T > 0 Dopado n

f(E) = 1 + exp[(E - EF)/kT] -1

La probabilidad de que un estado electrónico en una banda esté ocupado o no por un electrón viene dada por la función estadísticas de Fermi-Dirac, y depende de la distancia entre la energía del estado y la energía de Fermi EF del semiconductor.

Los semiconductores intrínsecos son aquellos que no tienen, en número significativo, átomos de impurezas o defectos de la red cristalina. En ellos, a la temperatura de 0 K, todos los estados de la banda de valencia están ocupados por electrones, y todos lo de la banda de conducción están vacíos. A una temperatura superior la energía térmica provocará que algunos electrones de la BV pasen a la BC, dejando huecos en la BV. El número de electrones y huecos, denominado concentración intrínseca, es muy bajo comparado con el número de estados.

Al dopar un semiconductor se le añaden átomos de impurezas, que pueden ser donadoras, si añaden electrones a la BC, o aceptadoras, si toman un electrón de la BV, liberando un hueco.

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Vector de onda k

Ener

gía

OCUPACIÓN DE LAS BANDAS: FUERA DE EQUILIBRIO

EFN

BOMBEO (Inyección)EFN - EFP > 0

f(EC) = 1 + exp[(EC - EFN)/kT] -1EFP

f(EV) = 1 + exp[(EV - EFP)/kT] -1

En un semiconductor en equilibrio, la probabilidad de encontrar un electrón en la BV es siempre mayor que la de encontrarlo en la BC. Cuando se saca al semiconductor de equilibrio, por bombeo óptico o inyección de portadores, se vacían de electrones los estados en la BV, que queda poblada por huecos, y se añaden electrones a la BC. Es decir se quitan electrones de baja energía y se añaden electrones de alta energía.

Las probabilidades de ocupación vienen dadas ahora por los quasiniveles de Fermi en las bandas de conducción y valencia (EFN y EFP, respectivamente). El nivel de inyección, o bombeo, viene dado por la diferencia de quaisiniveles.

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INTERACCIÓN RADIACIÓN-MATERIA: Semiconductor

ABSORCIÓN EM. ESPONTÁNEA EM. ESTIMULADA

h h hh

h

k = 0

E

EC

EV

Eg

k = 0 k = 0 kk(a) (b) (c)

k

La figura ilustra los tres procesos anteriores en el caso de un material semiconductor. Las transiciones de un banda a otra deben realizarse sin variación del vector de onda k de los electrones y conservando la energía total.

(a)Absorción: un electrón de la BV absorbe un fotón y pasa a la BC, generándose un par electrón-hueco. Este proceso es el fundamento de los fotodetectores

(b)Emisión espontánea: un electrón de la BC pasa a la BV (recombinación electrón hueco), emitiendo espontáneamente un fotón. Es la base de funcionamiento de los LEDs

(c) Emisión estimulada: un fotón atravesando el material estimula una recombinación electrón-hueco, generándose un segundo fotón idéntico al primero. Es el fundamento de los láseres y amplificadores ópticos.

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ESPECTROS DE GANANCIA Y EMISIÓN ESPONTÁNEA

O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o

O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o

O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o

O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o

O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o

O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o

0,65 0,70 0,75 0,80 0,850

1

2

3

4

5

6

7

8

AlGaAs SQW

Rec

ombi

naci

ón E

spon

táne

a(1

028 e

V-1

cm-3

s-1)

Longitud de Onda (µm)

1018

2 x 1018

3 x 1018

4 x 1018

5 x 1018

6 x 1018

7 x 1018

8 x 1018

9 x 1018

1019 cm-3O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o

O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o

O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o

O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o

O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o

O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o

0,65 0,70 0,75 0,80 0,85-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

9x10

188x

1018

7x10

18

6x10

185x

1018

3x10

182x

10184x

1018

1019cm

-3 AlGaAs SQW

Gan

anci

a de

l Mat

eria

l (cm

-1)

Longitud de Onda (µm)

1018

cm-3

Semiconductor con ganancia positiva (inversión de población):

(EFN - EFP) > h > EG

La Figura de la izquierda presenta el espectro calculado de ganancia para un semiconductor (en concreto una estructura de pozo cuántico de AlGaAs), en función de la densidad de portadores inyectados.

A baja densidad de portadores el semiconductor es absorbente a longitudes de onda menores que la correspondiente al “gap” y transparente a longitudes de onda mayores. Cuando se va aumentando la inyección aparece un rango de longitudes de onda en el que el semiconductor presenta ganancia positiva. El ancho de este rango es típicamente 20-50 nm.

Puede demostrarse fácilmente que para que un semiconductor presente ganancia positiva para una energía de fotón h es necesario que la probabilidad de encontrar a un electrón en el nivel energético de la BC involucrado en la transición ha de ser mayor que la de encontrar a un electrón en el nivel de la BV. Ello implica que la separación de los cuasiniveles de Fermi ha de ser mayor que la energía del fotón.

La figura de la derecha muestra el espectro calculado de emisiónespontánea para el mismo material en función de la densidad de portadores. Este espectro es equivalente al espectro de emisión de un LED fabricado con este material en la zona activa. Su anchura a mitad es típicamente entre 30 y 150 nm, dependiendo de la longitud de onda y el nivel de inyección.

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UNIÓN p-n

Vj

qVj

EC

ElectronEnergy

p-material n-material

EV

Efe

Efh

junc

tion

La forma convencional de bombear el semiconductor para que esté en condiciones de no-equilibrio y pueda proporcionar ganancia y/o emisión espontánea es mediante el clásico diodo de unión p-n. Tanto los LEDs como los LDs están basados en un diodo de unión p-n.

En una unión p-n en polarización directa se inyectan electrones de la zona n hacia la p, y huecos de la p hacia la n. En la zona cercana a la unión se produce una alta recombinación de electrones y huecos ya que se establecen altas densidades de ambos. En esta zona la diferencia entre los niveles de Fermi de electrones y huecos es aproximadamente el voltaje externo aplicado.

Desde un punto de vista eléctrico la unión p-n es un diodo, permitiendo el paso de la corriente con una caída de tensión casi constante al estar polarizado en directa, y no permitiendo el paso de corriente en inversa.

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MATERIALES para EMISORES OPTICOS

Gap indirecto (Si, Ge): No eficientes• Transiciones con intervención de

un fonón

Gap directo (III-V, II-VI): eficientes

• Transiciones directas

Materiales típicos (C.O.):

• GaAs/AlGaAs: 780-850 nm

• InGaAsP/ InP: 1300-1600 nm

Existen dos tipos de materiales semiconductores: semiconductores de “gap” directo y semiconductores de “gap” indirecto. En los primeros el mínimo de la BC corresponde al mismo valor del vector de onda que el máximo de la BV. Ello favorece transiciones directas de una banda a otra y posibilita el uso de estos materiales en emisores ópticos.

En los semiconductores de “gap” indirecto el mínimo de la BC se encuentra a un valor del vector de onda diferente del máximo de la BV. Por ello no se pueden realizar transiciones directas de una banda a otra sin la intervención de otra partícula que iguale la variación del vector de onda entre el estado inicial y final. Esta otra partícula es habitualmente un fonón (cuanto de vibración de la red). La necesidad de intervención de otra partícula hace menos probables las transiciones radiativas en este tipo de materiales.

Los semiconductores del grupo IV (Silicio, germanio...) tienen “gap” indirecto y por ello no pueden emplearse como emisores.

Casi todos los semiconductores del grupo III-V y II-VI tienen gap directo: aquellos cuya tecnología está suficientemente desarrollada pueden emplearse como emisores. Entre ellos destaca la aleación AlGaAs sobre sustrato de GaAs, utilizada para dispositivos que emiten entre 780 y 850 nm, y la aleación InGaAs(P), sobre sustrato de InP, empleada para emisores de 2ª y 3ª ventana.

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Principios de funcionamiento

Característica Potencia-Corriente

Estructuras LED

Espectros de emisión

Propiedades dinámicas

Diagramas de radiación

4.2 LED

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LED: Principios de funcionamiento

Estructura basica: diodo p-n en material de gap directoBasado en emisión espontáneaCaracterística P-I: aprox. LinealBaja eficiencia de conversión (2-3 %)

IqhI

qhPP einextinextracout

Vj

Un emisor LED es básicamente un diodo de unión p-n fabricado sobre un semiconductor de “gap” directo y diseñado para facilitar al máximo la extracción al exterior de la emisión espontánea.

La relación entre la potencia óptica emitida Pout y la corriente inyectada I es aproximadamente lineal, salvo a muy altas corrientes en las que la emisión disminuye debido al autocalentamiento. Se define como eficiencia cuántica externa e la relación entre el número de fotones extraídos y el numero de electrones inyectados. Salvo en algunas estructuras recientes, con valores de hasta el 22%, el valor típico de e es bajo (1-3%), debido a las dificultades en la extracción de los fotones espontáneamente emitidos.

La emisión espontánea del LED es incoherente, es decir, los fotones emitidos no tienen correlación entre sí. La frecuencia, polarizacción, dirección, y fase de cada uno de ellos es independiente de los demás.

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• P-I lineal (casi)• Baja pendiente (típica 10-4 W/A en fibra)• Poca dependencia con temperatura

CARACTERÍSTICA POTENCIA-CORRIENTE (P-I)

Current (mA)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Out

put p

ower

(W

)

0

10

20

30

40

50

60

-15 ºC

25 ºC

65 ºC

Puede observarse que la relación P-I en el LED es casi lineal con una cierta saturación causada por efectos de autocalentamiento. La potencia máxima acoplada a fibra MM es baja, siendo su valor típico -10 a 15 dBm. La dependencia de la potencia con la temperatura ambiente es pequeña.

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p-AlGaAsp-GaAsn-AlGaAs

n-GaAssubstrate

metalcontact

light emitting region

metalcontact etched

well

epoxyadhesive

mul

timod

eop

tical

fiber

SiO2

p+-GaAsp-AlGaAsp-GaAs

n-AlGaAs

metal contact

metal contact

insulation layer(SiO )2

GaAs-substrate

outputlight

ESTRUCTURAS LED

LED EMISIÓN SUPERFICIAL

(SLED)

LED EMISIÓN LATERAL(ELED)

Existen muchas estructuras LED, dos de las cuales están representadas en las figuras.

La de la izquierda corresponde a un LED de emisión superficial (“surface emitting LED”, SLED), también llamado tipo Burrus, muy empleado en comunicaciones ópticas desde hace años. La estructura de capas corresponde a una unión p-n cuya zona activa es GaAs. Las capas epitaxiales se sueldan con la parte superior (p) hacia abajo sobre un sumidero de calor con el fin de facilitar la disipación. En el substrato se realiza un agujero mediante ataque químico hasta acercarse a la zona activa, en el que se coloca una fibra MM, buscando que la mayor parte de la luz emitida se acople a la fibra.

La estructura de la derecha corresponde a un LED de emisión lateral (“edge emitting LED”, ELED). En este caso la extracción de la luz y acoplo a la fibra se realiza por un lateral de la estructura de capas. El diseño de la estructura, al igual que en un LD, da lugar a un fenómeno de guiado óptico en la dirección de inyección de corriente, que aumenta la emisión en las caras laterales.

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ESPECTRO DE EMISIÓN

Wavelength (nm)

1100 1200 1300 1400 1500

Pow

er In

tens

ity (a

.u.)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 LED

• Valores típicos: (FWHM) entre 30 y 150 nm• Aproximadamente: ~ 1,45 (kT) 2

[ expresado en µm y (kT) en eV]

En las figuras se ha representado el espectro de emisión típico de un LED. Su espectro es habitualmente asimétrico y con un único lóbulo, de ancho a mitad de altura entre 30 y 150 nm. Es tanto más ancho cuanto mayor es la longitud de onda de emisión.

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DIAGRAMA DE RADIACIÓN (LED)

LED: lambertiano

º (FWHM)

0

1

-90 -60 -30 0 30 60 90

ángulo (º)

Cam

po le

jano

(u.a

.)

120 º

Los diagramas o patrones de radiación de un LED son muy anchos y siguen una ley “lambertiana” debido a la naturaleza incoherente de la radiación. Ello da lugar a un ancho teórico a mitad de altura de 120°. En la práctica el ancho es algo menor, y en el caso de los ELED es mucho más estrecho (hasta 30°) en la dirección perpendicular al plano de la unión. Este diagrama dificulta el acoplo a fibra de la radiación.

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21

• Filtro paso bajo:

RESPUESTA DINÁMICA

P P

tot

rise fall tot

( ) ( )

.,

0

1

2 2

21

2

• Compromiso potencia-velocidad

• Valores típicos: 10 MHz-1 GHz

2.2 n

90 %

10 %

t

P

Al aplicar un escalón de corriente a un LED la potencia óptica aumenta de acuerdo con una función exponencial similar a la de un circuito RC. El tiempo característico tot corresponde al tiempo de vida de portadores, tomando valores entre 1 y 10 ns. La respuesta en frecuencia (modulación en pequeña señal) corresponde a un filtro paso bajo de polo simple, con ancho de banda (2 tot)-1. Los valores típicos de ancho de banda en LEDs de comunicaciones varían entre 10 y 150 MHz, pudiéndose encontrarse algunos de mayor velocidad. Sin embargo, cuando la velocidad es mayor la potencia emitida disminuye en comparación con dispositivos más lentos.

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Idea general de Láser Láser de semiconductor Condición umbral Potencia-corrienteEstructuras de guiado lateral

Patrones de emisiónLáser de pozo cuánticoLáser FP: Espectro Láser monofrecuenciaLáseres sintonizables: VCSELs

Propiedades dinámicas:

3. Diodo Láser

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CONCEPTO GENERAL DE LÁSER

LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Energía (bombeo):óptico o inyección de corriente

Medio con ganancia(inversión de población)

Realimentación:cavidad resonante (Fabry-Perot)

OSCILACIÓN LÁSER

BOMBEO

realimentación

I I’ > I Iout

MEDIO ACTIVOg > 0

La emisión LASER en un medio fue obtenida por primera vez en 1960 en un cristal de rubí. Desde entonces se ha desarrollado un gran número de tipos diferentes de láser (gas, estado sólido, semiconductor, colorante, electrones libres...) con un enorme rango de aplicaciones.

En general, un láser es un oscilador a frecuencias ópticas. De la misma manera que un oscilador electrónico necesita para oscilar un proceso de amplificación y otro de realimentación positiva, un láser está constituido por un medio en condiciones de ganancia y una cavidad resonante. El medio debe estar recibiendo un bombeo, que puede ser óptico o mediante inyección de corriente, para estar fuera de equilibrio y ser capaz de amplificar. La realimentación se consigue típicamente por medio de una cavidad Fabry-Perot, consistente en dos espejos semitransparentes separados una distancia L. La luz confinada en el interior de la cavidad sufre un proceso de ganancia al propagarse que compensa las pérdidas debidas a las reflexiones en los espejos. Aquellas frecuencias ópticas que tras propagarse por la cavidad y reflejarse en ambos espejos mantengan su fase sin cambios, serán las posibles frecuencias de oscilación del sistema.

La emisión láser está caracterizada por ser altamente coherente, es decir por fotones (casi) idénticos en cuanto a frecuencia, polarización y fase.

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LÁSER DE DOBLE HETEROESTRUCTURA

Confinamiento de portadores (recombinación en la zona activa)Guía-onda en la dirección vertical

refractiveindex

opticalmode

metalcontact

electricalwire

p-material

n-material

cavity width

activeregion

x

y

zI

n

energy

CBVB

bandgap

elec

trons

hole

s

Casi todos los diodos láser (LD) actuales están basados en el láser de doble heteroestructura. Consiste en un “chip” de semiconductor en el que se ha crecidouna unión p-n sobre un substrato; sus caras han sido talladas (“cleaved”) de forma que den lugar a espejos de alta calidad debido a la diferencia entre el índice de refracción del semiconductor y del aire. En la dirección de inyección de corriente se ha crecido una zona activa de mayor índice de refracción y de menor “gap” que las zonas adyacentes, denominadas zonas de recubrimiento (“cladding”). Ello se consigue mediante un adecuado perfil de composición.

Dicho perfil de composición da lugar a dos fenómenos imprescindibles para obtener emisión láser en forma eficiente:

- Confinamiento de portadores: que son acumulados y forzados a recombinarse en la región activa, de menor “gap”.

- Confinamiento óptico: el perfil de índices produce un efecto de guía onda que confina el campo óptico en la zona activa.

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CONDICIÓN UMBRAL

2m=2kL:

1ln1:

1

:)(),(

3.0)1()1(

)2()(20

)(

2

2

FASERL

gMÓDULO

eeREEoscilacióndeCondiciónezAtzE

nnR

inth

kLjLg

kztj

in

R

ACTIVE REGION

CURRENTINJECTION

CLEAVED FACETS

Z = 0 Z = L

R

GAIN MEDIUM

MIRRORS

E2

E0

L

La condición necesaria para la oscilación láser se denomina condición umbral. Refleja el hecho de que un campo óptico E0 que se propague por la cavidad debe permanecer inalterado tras una ida y vuelta completa (“round trip condition”).

Esta condición se expresa matemáticamente como E0 = E2, donde E2 es el campo tras recorrer una distancia 2L en un medio de ganancia neta (g- in), siendo la constante de propagación k. g es la ganancia modal y in es el coeficiente de pérdidas internas. La reflectividad de los espejos viene dada por R.

La condición umbral puede dividirse en dos partes:• Condición en módulo, que indica que la ganancia umbral proporcionada por el material debe ser igual a las pérdidas totales.• Condición en fase, que indica que la fase de la onda tras una ida y vuelta en la cavidad debe ser un múltiplo entero de 2 .

Esta última condición define las frecuencias propias de oscilación de la cavidad, denominadas modos longitudinales.

26

Nov- 05

IEM

Transmisores

26

MODOS LONGITUDINALES

Ln

mLnLn

cLn

mc

nk

eff

effm

eff

effm

eff

2

2

2

2

2

2

cavity losses

carrierdensity

0Wavelength (µm)

longitudinalmodes

lasing mode

Gai

n

La figura representa el espectro de ganancia y los posibles modos longitudinales de la cavidad m. Las pérdidas totales de la cavidad están dadas por la línea de puntos.

Al aumentar la corriente inyectada la densidad de portadores en la zona activa aumenta, y por tanto también aumenta la ganancia. Cuando la ganancia iguala a las pérdidas de la cavidad, comienza la emisión láser en el modo longitudinal más cercano al máximo de la curva de ganancia. Un aumento posterior de la corriente ya no aumenta la concentración de portadores, que se mantiene enganchada en su valor umbral, y por tanto no varía la longitud de onda de emisión, salvo por efectos de segundo orden.

Los posibles modos longitudinales están equiespaciados en frecuencia pero no en longitud de onda. La distancia entre dos modos en longitud de onda depende de la longitud de la cavidad, siendo su margen típico entre 0,1 y 0,3 nm para los láseres habituales.

27

Nov- 05

IEM

Transmisores

27

RELACIÓN POTENCIA-PORTADORES-CORRIENTE

(W/A):

)()(

0;0

00

EfficiencySlopeIIP

SnngIIII

PS

nqVI

II

slope

thslope

thth

th

opt

totact

th

I

n nth

I

P

Ith

slope

Al aumentar la corriente inyectada al láser por debajo de umbral, la densidad de portadores en la zona activa n crece casi linealmente con la corriente. Cuando la densidad de portadores alcanza su valor umbral nth todo nuevo incremento de corriente es convertido en potencia óptica, y la densidad de portadores queda “enganchada” a su valor umbral.

La característica Potencia Óptica-Corriente (P-I) de un LD está caracterizada por la existencia de una corriente umbral (Ith) a partir de la cual comienza la emisión láser. Esta corriente es la necesaria para que la densidad de portadores llegue a nth, y pueda proporcionar la ganancia necesaria para igualar a las pérdidas. La corriente umbral es proporcional al volumen de la zona activa e inversamente proporcional al tiempo de vida de los portadores.

A corrientes superiores a Ith la potencia óptica emitida aumenta linealmente con la corriente. La pendiente de la relación P-I se define como la eficiencia de la pendiente slope, en W/A. Su valor depende de la longitud de onda, de la longitud de la cavidad y de otras características del dispositivo. Valores típicos se encuentran entre 0,2 y 1 W/A, considerando la emisión por ambas caras.

28

Nov- 05

IEM

Transmisores

28

• P-I con umbral (típica 10 mA)• Alta pendiente (típica 0.1-0.5 W/A; en fibra menor)• Alta potencia (típica 0-10 dBm); ruptura por exceso de potencia• Alta dependencia con temperatura

CARACTERÍSTICA POTENCIA-CORRIENTE (P-I)

Current (mA)

0 5 10 15 20 25

Out

put p

ower

(mW

)

0.0

0.20.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.615 ºC25 ºC35 ºC45 ºC

55 ºC

En la curva Potencia-Corriente de un LD puede observarse la existencia de un valor umbral altamente dependiente con la temperatura, según la expresión empírica:

donde T0 se denomina temperatura característica y toma valores entre 50 y 150 K. La dependencia con la temperatura es más acusada en láseres de 2ª y 3ª ventana que en los de 1ª ventana.Los LDs acoplan alta potencia en fibra SM, típicamente entre 0 y 10 dBm para láseres de comunicaciones. La pendiente de la curva P-I es altamente lineal, hasta su potencia máxima de operación.

00 exp

TTII thth

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Nov- 05

IEM

Transmisores

29

ESTRUCTURAS LÁSER: GUIADO LATERAL

Guiado por ganancia:Fabricación sencillaHaz inestable

metalcontac

oxidep-cladding

n-claddingactive

substrate

metalcontac

p-cladding

n-claddinga

substrate

metalcontac

oxide

active

substrate

n blockinglayerconfinementlayer

nn

p p

p

Guiado débil por índice:Fabricación más complejaControl de modos lateralesMenor volumen bombeado

Guiado fuerte por índice(estructuras enterradas)Fabricación muy complejaConfinamiento óptico y de

portadoresMínimo volumen bombeado

Existen un gran número de estructuras láser desde el punto de vista de su configuración lateral, es decir en el eje perpendicular a la emisión y a la inyecciónde corriente.

Los láseres guiados por ganancia son los más sencillos de fabricar, y en ellos su zona activa es definida por la inyección de corriente sin que se produzca ningún guiado en la dirección lateral. Ello da lugar a un esparcimiento de la corriente (“spreading”), que no queda confinada, y un haz muy inestable y poco controlable.

Las estructuras con guiado débil por índice, como por ejemplo la estructura en caballete (“ridge”) representada en la figura, proporcionan una ligera diferencia de índice efectivo entre la zona bombeada y la zona exterior. Esta diferencia de índice realiza un guiado lateral y confina el modo en una zona localizada, proporcionando operación monomodo lateral hasta niveles altos de potencia. Su proceso de fabricación es más complejo que el anterior.

Las estructuras con guiado fuerte por índice, tales como las estructuras enterradas (“buried heterostructures”) dan lugar a confinamiento del modo óptico y de los portadores en la zona activa. Deben ser fabricadas mediante recrecimiento epitaxial lo que complica su producción. Proporcionan las mejores prestaciones, y casi todos los láseres de C.O. corresponden a este tipo.

30

Nov- 05

IEM

Transmisores

30

DIAGRAMA DE RADIACIÓN (LÁSER)

LD: depende de la estructura

30-50 °5-15 °

0

1

-90 -60 -30 0 30 60 90ángulo (º)

cam

po le

jano

(u.a

.)

El diagrama de radiación de un láser convencional (emisión lateral) es fuertemente asimétrico, dando lugar a un haz con forma elíptica.En la dirección perpendicular a la unión es altamente divergente, con anchuras variables entre 30 y 50°, dependiendo de la estructura interna de capas. En la dirección paralela a la unión toma valores muy diversos en función de la estructura lateral y de las dimensiones de la zona activa, pudiendo valer entre 5 y 15°.

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Nov- 05

IEM

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31

EC

p-claddingn-cladding

QWconfinement confinement

EV

y

Eei

Ehj

Eei-hj

| |ei2

| |hj2

LÁSERES DE POZO CUÁNTICO

Zona activa: 5-20 nmConfinamiento de e- y h+ en sub-bandas de energía

Ventajas:Menor volumen + efectos 2D menor corriente umbralMás grados de libertad (long. onda)Más velocidad

Actualmente todos los LD comerciales son de QWFuturo:

Punto cuántico (QD)?Cascada cuántica (QC)?

A partir de 1980 comenzaron a fabricarse los llamados láseres de pozo cuántico (“Quantum Well”, QW). En ellos la zona activa corresponde a un material de “gap” más estrecho que el de las zonas adyacentes (zonas de confinamiento) y pequeño espesor. El confinamiento de los portadores en el QW da lugar a efectos de tipo cuántico, apareciendo subbandas de energía y limitando el movimiento de éstos en la dirección de crecimiento.

Este tipo de láseres se ha impuesto en el decenio de los 90, de tal forma que en la actualidad casi todos los láseres comerciales son de QW. El confinamiento de los portadores y el menor volumen activo da lugar a una menor corriente umbral. Además es posible crecer un mayor número de materiales, aumentando el número de grados de libertad en el diseño y expandiendo el rango de longitudes de onda disponibles.

Actualmente se está tendiendo a dos nuevos tipos de estructuras, a nivel investigación y desarrollo, que probablemente entrarán próximamente en su fase comercial: los láseres de punto cuántico (“Quantum Dot”), en los que se produce confinamiento de portadores en las tres direcciones del espacio, y los láseres de cascada cuántica (“Quantum Cascade”), en los que las transiciones se producen entre las subbandas de conducción de un pozo cuántico.

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Nov- 05

IEM

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32

ESPECTRO LASER FP: variación con I

Variación de longitud de onda:

Cada modo neff (I, T)

Saltos:

ganancia (T)

efectos no lineales

40 mA

35 mA

30 mA

25 mA

20 mA

16 mA

I = 14 mA

(nm)

En la figura puede observarse la variación del espectro de un láser FP por encima de umbral al aumentar la corriente inyectada (la escala es lineal).Puede apreciarse el fenómeno de salto de modo (“mode hopping”) longitudinal, debido fundamentalmente al autocalentamiento: al aumentar la temperatura interna el “gap” del semiconductor se estrecha y el máximo del espectro de ganancia se traslada a longitudes de onda mayores.Adicionalmente también se aprecia un ligero desplazamiento de cada uno de los modos a longitud de onda más alta al aumentar la corriente; es debido a la dependencia con la temperatura del índice de refracción.

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Nov- 05

IEM

Transmisores

33

ANCHO DE LINEA

Típico (DFB): 1-10 MHz (10 mW)

: factor de ensanchamiento de línea

1-5

RPspon

1

4

2

¡¡¡¡ Medidas del mismo Láser en

diferentes Laboratorios !!!!

Se denomina ancho de línea de emisión a la anchura a mitad de altura de cada uno de los modos longitudinales de láser FP o del único modo de un láser DFB o DBR.El ancho de línea está originado por fluctuaciones de la fase provenientes de diferentes fuentes de ruido, entre la que destaca el ruido de la emisión espontánea acoplada al modo láser. Su valor es muy diferente en función del dispositivo concreto y de su modo de operación, y suele expresarse en unidades de frecuencia, variando entre decenas de KHz y decenas de MHz.El ancho de línea disminuye al aumentar la potencia emitida. Su determinación experimental no es sencilla, y como ejemplo se adjunta un conjunto de medidas del ancho de línea del mismo láser DFB realizadas en laboratorios diferentes, en las que puede observarse una gran dispersión en los resultados. El valor típico del ancho de línea garantizado por los fabricantes en DFBscomerciales es de 1-10 MHz a 10 mW.

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Nov- 05

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LÁSERES MONOFRECUENCIA (SINGLE FREQUENCY) (1)

LÁSER FABRY-PEROT (FP)SMSR = 3 - 20 dB

LÁSER MONOFRECUENCIASMSR = 30 - 40 dB

Side Mode Supression Ratio (SMSR) = 10 log (P0/Ps)

Se denomina láseres monomodo, o monofrecuencia (“single frequency”), a aquellos que son capaces de emitir en un único modo longitudinal. Para comprender su funcionamiento debemos observar primero el espectro de emisión de un láser convencional de cavidad Fabry-Perot. Puede observarse la aparición de todo un conjunto de longitudes de onda de emisión.

El parámetro que define la importancia relativa de los modos secundarios es el SMSR (Relación de Supresión de Modos Laterales), siendo su valor típico entre 3 y 20 dB para un láser FP en continua. En conmutación el SMSR se degrada fuertemente.

En general se define como monomodo a aquellos láseres cuya SMSR toma un valor en continua de 30 o 40 dB. Además su longitud de onda de emisión es altamente estable frente a variaciones en la corriente de inyección.

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Nov- 05

IEM

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LÁSERES MONOFRECUENCIA (SINGLE FREQUENCY) (2)

DFB: Distributed Feedback Laser

Seleccionan un único modo longitudinal de la cavidad

Tecnología muy compleja

Alto precio

p-type

n-type DBRDBR

+

-

activeregion

p-type

n-type

grating

+

-

DBR: Distributed Bragg Reflector

Longitud de onda de Bragg:

= m B / 2 neff

Existen dos tipos fundamentales de láseres monomodo: los láseres DFB(realimentación distribuida) y los láseres DBR (reflector de Bragg distribuido).

En los láseres DFB se define una red de difracción (“grating”) a lo largo de toda la cavidad mediante una variación del índice de refracción de periodo . Las interferencias constructivas entre las ondas que se propagan hacia delante y hacia atrás en la cavidad dan lugar a que sólo aquellas frecuencias que cumplan la condición de Bragg puedan ser sostenidas.

En los láseres DBR se sustituye uno o los dos espejos por un reflector deBragg que da lugar a un máximo de reflexión a una única frecuencia y un mínimo cercano a cero a las demás. Ello da lugar a que el único modo que pueda sostenerse es aquél para el cual se produce la reflexión.

Es importante resaltar que la condición de Bragg depende en ambos casos del índice de refracción. Por tanto cualquier variación del índice (portadores, temperatura...) dará lugar a variaciones en la longitud de onda de emisión.

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Nov- 05

IEM

Transmisores

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ESPECTRO LASER DFB: variación con T

En la figura puede observarse el desplazamiento de la longitud de onda de emisión de un láser DFB al aumentar la temperatura, por el mismo motivo que el comentado anteriormente en un láser FP (variación del índice con la temperatura). Este fenómeno tiene como aplicación directa la selección de longitud de onda a partir del control de la temperatura (“temperature tuning”)

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Nov- 05

IEM

Transmisores

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LÁSERES SINTONIZABLES

Láser de cavidad externa

Láser DBR multisección

Existen diferentes modos de fabricar láseres sintonizables, de gran importancia en algunas aplicaciones tales como sistemas WDM

En los láseres de cavidad externa se aplica un recubrimiento antireflexivo en una de las caras y la emisión se lleva a una red de difracción. Ésta solo reflejará una única longitud de onda que definirá el modo de oscilación láser. Girando la red de difracción es posible sintonizar la longitud de onda deseada.

En los láseres DBR multisección se dispone de una o más zonas adicionales de bombeo. La variación en la corriente de la sección DBR (I3 en la figura) varía la densidad de portadores y por tanto el índice efectivo y la longitud de onda de Bragg. La corriente I2 proporciona un ajuste fino de la longitud de onda de emisión.

El margen de sintonía en estos láseres corresponde al ancho de su espectro de ganancia, típicamente 50 nm.

38

Nov- 05

IEM

Transmisores

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LÁSERES DE EMISIÓN SUPERFICIAL

Vertical Cavity Surface EmittingLasers (VCSELs)

Pequeño volumen: menor ganancia, menor IthAlta densidad (producción)

Posibilidad de arrays 2D

Tecnología compleja

Problemas térmicos

Bajo precio!

En los últimos años han aparecido ya en forma comercial los láseres de Cavidad Vertical y Emisión Superficial (VCSEL). En ellos la emisión tiene lugar en la dirección perpendicular al substrato y estructura de capas. La cavidad tiene una longitud muy inferiores a la de los láseres de emisión lateral (1-2 µm en lugar de 500-1000 µm), por lo que es necesario introducir espejos de muy alta reflectividad. Ello se consigue creciendo DBRs por encima y por debajo de la zona activa.

El área ocupada por cada láser es muy inferior a la de un láser convencional, lo que abarata el coste de producción y permite la fabricación de “arrays” bidimensionales. El volumen también es pequeño, por lo que la corriente umbral es muy baja. Debido al pequeño tamaño de la cavidad, los modos longitudinales están muy separados en frecuencia, por lo que los VCSELs presentan funcionamiento monomodo longitudinal.

Su mayor problema es el de disipación térmica, que da lugar a un alto calentamiento y limita la máxima potencia de emisión. Los posibles modos transversos y el control de la polarización del haz dan lugar también a problemas en mucha aplicaciones.

Hasta ahora se han fabricado VCSELs emitiendo en longitudes de onda inferiores a 1 µm, siendo más compleja su fabricación para longitudes de onda mayores.

39

Nov- 05

IEM

Transmisores

39

DIAGRAMA DE RADIACIÓN (VCSEL)

Los VCSELs presentan habitualmente problemas en cuanto al control de sus modos transversos. Debido a su simetría cilíndrica tienden a aparecer modos de tipo LP, similares a los de la fibra óptica a altos niveles de inyección. En la figura pueden observarse los patrones de campo cercano de los cuatro primeros modos.

40

Nov- 05

IEM

Transmisores

40

Tiempo de encendido:

0.2-0.5 ns

Oscilaciones de relajación:

1-20 GHz

RESPUESTA DINÁMICA DEL LÁSER (GRAN SEÑAL)

Anchos de banda (f3dB)

> 1 GHz siempre

> 25 GHz posible

Al aplicar un escalón de corriente a un LD la respuesta es mucho más complicada que en un LED y puede verse esquematizada en la Figura. Durante un tiempo inicial, denominado tiempo de encendido, no se emite potencia. Posteriormente la potencia emitida aumenta muy abruptamente y presenta oscilaciones hasta que se relaja a su valor de equilibrio.El tiempo de encendido es el necesario para que el número de portadores en la zona activa llegue a su valor umbral. Este tiempo depende de la corriente inicial y de la corriente inyectada, siendo su valor típico entre 0,2 y 0,5 ns. Las oscilaciones de relajación tienen una frecuencia entre 1 y 20 GHz, dependiendo de la estructura del láser y del valor de la corriente. En décimas de ns se suele alcanzar el estado estacionario.El origen de estas oscilaciones es la interacción entre las poblaciones de portadores y fotones en el interior de la cavidad, que tienen un comportamiento resonante similar al de un circuito LCR. Si se evita el tiempo de encendido mediante prepolarización como veremos a continuación, la respuesta de casi todos los láseres es muy rápida, pudiendo llegar a anchos de banda entre 1 y 40 GHz. En aquellos láseres no diseñados para alta velocidad, el límite viene dado por los parásitos eléctricos del encapsulado.

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Nov- 05

IEM

Transmisores

41

RESPUESTA DINÁMICA DEL LÁSER (Pequeña señal)

Respuesta similar a un filtro LCR: resonancia y amortiguamiento

La frecuencia de resonancia aumenta con la corriente hasta llegara a amortiguamiento crítico (máximo ancho de banda)

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Nov- 05

IEM

Transmisores

42

MODULACIÓN CON SEÑALES BINARIAS

IOFF ITH

ION I(Pmax.)

Relación de extinción = POFF/ PON

25 Gbs NRZ

Al modular el láser en forma digital se aplica una corriente que varía entre un valor IOFF y un valor ION, dando lugar a una potencia variable entre un mínimo y un máximo. Habitualmente se aplica como IOFF un valor cercano al umbral con el fin de evitar el tiempo de encendido a la vez que se minimiza la potencia en estado OFF. El valor de ION se escoge para que aplique la máxima potencia a la fibra. En la figura puede observarse un diagrama de ojo realizado por modulación directa de un láser a 25 Gbs en formato NRZ.

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Nov- 05

IEM

Transmisores

43

MODULACIÓN EN FRECUENCIA

Modulación en AM (intensidad) Modulación en FM (frecuencia óptica)

Origen físico: i n (portadores) neff

Chirp: variación temporal en la frecuencia óptica causada por la modulación AM

Uno de los mayores problemas en LDs en aplicaciones de alta velocidad y alta distancia es el fenómeno de la modulación en frecuencia que se produce al aplicar una modulación directa en intensidad.El origen físico de este fenómeno es la variación del índice de refracción con la concentración de portadores, que hace que varíe a su vez la frecuencia óptica de emisión. En el transitorio de encendido, las oscilaciones de relajación hacen que el número de portadores varíe con el tiempo y por tanto también lo hace la longitud de onda. Ello da lugar al denominado “chirp” del láser, ensanchamiento promedio del espectro en conmutación. El valor del ensanchamiento depende de un parámetro del semiconductor denominado (“linewidth enhancement factor”), característico de cada dispositivo.Esta modulación de la frecuencia óptica puede ser aplicada en comunicaciones ópticas coherentes como técnica de modulación FM; sin embargo en la mayoría de las aplicaciones que utilizan modulación directa es un inconveniente que no puede ser evitado. Por ello a altas velocidades (> 2,5 Gb/s) se utiliza en ocasiones un modulador externo en lugar de modulación directa.

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Nov- 05

IEM

Transmisores

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ÍNDICE

Comparación de emisores

Acoplo fibra-láser

Módulos láser

Moduladores externos

Circuitos de ataque y polarización

Características V-I

Encapsulados

4. MODULOS TRANSMISORES

45

Nov- 05

IEM

Transmisores

45

COMPARACIÓN DE EMISORES

Alta tasa binaria / larga

distanciaWDM

2ª, 3ª

SM

Alto

Alta-muy alta

Muy estrecho

Alta

LD-DFB

Alta tasa binaria /corta

distancia

Baja/media tasa binaria -baja/ media

distancia

Baja tasa binaria -corta

distanciaAplicaciones

1ª2ª, 3ª1ª, 2ªVentanas(para C.O.)

MMSMMMAcoplo a fibra

BajoMedioBajoCosto

Alta-muy altaAltaBaja-mediaVel.Modulación

Muy estrechoEstrechoAnchoEspectro

AltaAltaBajaPotencia en fibra

VCSELLD-FPLED

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Nov- 05

IEM

Transmisores

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ACOPLO LÁSER A FIBRA

Diodo Láser:• Muy sensible a la

realimentación óptica• Necesidad de Aisladores

Ópticos

El acoplo de la potencia emitida por el láser a una Fibra SM tiene una gran dificultad debido a la alta divergencia de la fuente, que además es astigmática, y a las reducidas dimensiones del diámetro de la fibra. Lleva un complicado proceso de alineamiento y suele llevarse a cabo con diferentes tipos de lentes. Adicionalmente, debe minimizarse la reflexión de las lentes, o de cualquier otro punto del sistema, puesto que la emisión del láser se desestabiliza, incluso con niveles muy pequeños de reflexión. Esto se consigue mediante el uso de aisladores ópticos.

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Nov- 05

IEM

Transmisores

47

Vin

MODULOS LÁSER

Existen todo tipo de módulos comerciales LED y láser incluyendo en el encapsulado diversos accesorios además del propio emisor.Todos los láseres comerciales incluyen un fotodetector en el encapsulado que actúa como monitor de potencia emitida. Algunos incluyen adicionalmente un sensor de temperatura y un dispositivo tipo “Peltier” que permite variar la temperatura mediante un controlador externo. Los módulos de altas prestaciones pueden incluir también un aislador óptico. El acoplo a la fibra se realiza mediante una lente, habitualmente tipo “GRIN”.

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Nov- 05

IEM

Transmisores

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MODULACIÓN EXTERNA

Cuando la tasa binaria de un sistema supera los 2,5 Gb/s el efecto del "chirp" en el diodo láser da lugar a problemas de dispersión en caso de modulación directa. Para evitarlo suele recurrirse a un modulador externo, que permite o no el paso de la intensidad óptica en función de una tensión externa relacionada con la señal, manteniéndose el láser siempre encendido. Los principales parámetros de un modulador son: lás pérdidas de inserción al transmitir, la relación de extinción, su ancho de banda eléctrico, y el margen de tensiones necesario para su operación. Existen diferentes tecnologías de moduladores externos. La figura de la izquierda muestra un modulador en óptica integrada basado en un interferómetro Mach-Zehnder. La tensión aplicada varía el índice de refracción de la guíonda y por tanto varía la condición de interferencia constructiva o destructiva a la salida. La figura de la derecha muestra un modulador de semiconductor basado en electroabsorción. En este caso el gap neto del semiconductor es variado por la tensión externa, con lo que pasa de ser absorbente a transparente a la longitud de onda de trabajo. Estos tienen la ventaja de poder ser integrados con el diodo láser.

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Nov- 05

IEM

Transmisores

49

CIRCUITOS DE ATAQUE Y POLARIZACIÓN PARA LDs

Los circuitos de ataque y polarización de los emisores (driver) suelen realizarse externamente a su encapsulado. Su papel es realizar una conversión tensión/corriente de la señal de modulación y añadir la polarización necesaria. Habitualmente incluyen control automático de potencia a partir de la señal del fotodetector asociado al láser.Existen gran número de “drivers” comerciales integrados monolíticamente para diferentes velocidades de modulación.

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Nov- 05

IEM

Transmisores

50

Diodo:

I = I0 [exp (qV/mkT) - 1]

V = V0 + I Rs

V0 ~ Eg/q

1ª ventana: V0 1,5 -1,7 V

2ª y 3ª ventanas: V0 1 -1,2 V

CARACTERÍSTICA TENSIÓN -CORRIENTE (V-I)

0

5

10

15

20

25

30

0 0.5 1 1.5 2V (V)

I (m

A)

Desde el punto de vista de su funcionamiento en un circuito, no debe olvidarse que los LEDsy LDs son diodos, por lo que su característica I-V sigue la clásica ley exponencial, y puede ser aproximada por una caída constante de tensión y una resistencia serie.La tensión de codo del diodo depende del gap del semiconductor, y por tanto de su longitud de onda de emisión.

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Nov- 05

IEM

Transmisores

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Pigtailed FP-LDPOF-receptacle LED

Receptacle FP-LD

Pigtailed DIL DFB

Uncoupled FP-LD

Receptacle VCSEL

ENCAPSULADOS/ACOPLOS

Existe una gran variedad de modelos comerciales de encapsulado, casi todos ellos modificaciones de los habituales en transistores y CI. El acoplo a fibra puede hacerse mediante un “pigtail”, tramo corto de fibra terminado en conector macho, o mediante un conector de fibra hembra (receptacle)