Ingeniería en Telecomunicaciones Sistemas de Transmisión por Fibra Óptica Fuentes Ópticas

Introducción La fibra óptica es una delgada hebra de vidrio o silicio fundido que conduce la luz. Se requieren dos filamentos para una comunicación bi-direccional: TX y RX. El grosor del filamento es comparable al grosor de un cabello humano, es decir, aproximadamente de 0,1 mm. En cada filamento de fibra óptica podemos apreciar 3 componentes: La fuente de luz: LED o laser. el medio transmisor: fibra óptica. el detector de luz: fotodiodo. 

Las fuentes ópticas son componentes activos en un sistema de comunicaciones por fibra óptica, cuya función es convertir la energía eléctrica en energía óptica, de manera eficiente de modo que permita que la salida de la luz sea efectivamente inyectada o acoplada dentro de la fibra óptica.

Generación de luz en fuentes ópticas Envuelve la transición de un electrón que está en un estado excitado (mayor nivel de energía) para un estado menos excitado (menor nivel de energía). Este tipo de generación es un proceso comúnmente llamado de proceso cuántico. La liberación de energía es realizada en la forma de fotones.

En un semiconductor diversos procesos de recombinación de portadores de carga son posibles y son agrupados en dos grandes clases: recombinación no radiactiva y recombinación radiactiva. Los tipos de recombinación más importantes son: recombinación no- radiactiva de centros atractivos, recombinación no-radiactiva de Auger, recombinación radiactiva espontánea y recombinación radiactiva estimulada.

El modelo de Shockley-Read-Hall describe la tasa de recombinación de este fenómeno, a través de la ecuación: donde: A es el coeficiente de recombinación no-radiactiva debido a los centros atractivos, en la orden de 1010 s-1

La recombinacion no-radiactiva de Auger envuelve la dispersión de portadores entre diferentes bandas de energía. La tasa de recombinación de Auger puede ser escrita como: Dónde: C es el coeficiente de recombinación Auger, en la orden de 1 a 3.10-29 cm6s-1.

La recombinación radiactiva espontánea es proporcional al producto del número de portadores de carga en la banda de conducción y el número de portadores de carga, en la banda de valencia. La tasa de recombinación de este efecto es dado por: Dónde: B es el coeficiente de recombinación radiactiva espontánea o bimolecular, en la orden de 10-10 cm3 s-1

La tasa de recombinación total puede ser escrita como:

La manera más eficiente de obtenerse recombinaciones radiactivas es a través del uso de semiconductores de banda prohibida directa, o sea la transición de un electrón de la banda de conducción para la banda de valencia es hecha directamente , estos son llamados semiconductores de banda prohibida directa y tienen una buena eficiencia de conversión de corriente electrónica en luz. Ejemplos de esos semiconductores son los GaAs y el InP

Los semiconductores Ge y Sí son semiconductores de banda prohibida indirecta y el proceso de recombinación más probable en estos casos es por emisión de fonones (vibraciones de la red).

Los procesos de recombinaciones radiactivas ocurren en general en la región de la unión PN. Sin embargo, debido las dimensiones de esta región, el proceso es muy poco eficiente. Un modo de mejorar la eficiencia es utilizar heterouniones. El uso de heterouniones causa un confinamiento de portadores de carga en la región activa. Generalmente, la región activa tiene un mayor índice de refracción que las demás regiones. Esto causa un confinamiento de los fotones generados en la región.

Conversión Eléctrica - Óptica Para este proceso de conversión se utilizan las propiedades de los materiales semiconductores los cuales poseen dos bandas de energía, banda de valencia (nivel bajo de energía) y banda de conducción (nivel alto de energía) separadas por una distancia de energía. Un fotón (quantum de energía) tiene una energía: h = constante de Plank γ = Frecuencia del fotón λ = longitud de onda V= velocidad de la luz en el medio

La energía absorbida por incidencia de un fotón es: E=EC - EV EC energía de un electrón, cuando se encuentra en la banda de conducción. EV energía de un electrón, cuando se encuentra en la banda de valencia.

Fuentes Ópticas Las fuentes ópticas se precisan para convertir las señales eléctricas en ópticas y actúan como transductores electro-ópticos en los extremos de transmisión. Las fuentes ópticas han de ser pequeñas y de bajo consumo pero capaces de ser moduladas a altas velocidades y de buena estabilidad con la temperatura, alta pureza espectral y capaces de generar la mayor potencia posible. Las fuentes más comúnmente utilizadas son el LED y el LÁSER.

Tipos de Fuentes Ópticas LED (Diodo Emisor de Luz) El LED es una fuente óptica que genera luz utilizando el principio de la emisión espontánea. Generalmente los LEDs que emiten en el visible son hechos de semiconductores de banda prohibida indirecta. La variación de portadores de carga, N(t), en la región de generación de luz de un LED es dada por la diferencia entre los portadores de carga, introducidos por la corriente electrónica inyectada, I(t), en el LED, y los portadores de carga perdidos por las recombinaciones radiactivas y recombinaciones no radiactivas en esta región. Matemáticamente Donde N(t) es el número de portadores de carga en la región de generación de luz, I(t) es la corriente electrónica inyectada, tr es el tiempo de vida de los portadores de carga al igual que tnr y V es el volumen de la región de generación de luz.

Es un emisor de baja potencia y precio relativamente económico que se utiliza para cortas y medias distancias. En general, se utiliza en primera ventana (850nm) y segunda ventana (1300 nm) en fibras multimodo.

LED de emisión superficial (SLED) Los SLED son diodos que emiten por una de sus caras, p o n. Los más conocidos son los de tipo Burrus. Tanto en uno como en otro caso, el tamaño de la región activa de emisión se limita a una zona circular de 20–50 µm, en el centro de la cara.

LED de emisión lateral (ELED) En los ELED, la región activa es una tira estrecha que se crea bajo la superficie del sustrato. Éste se corta o se pule de manera que la tira alcanza los dos extremos del dispositivo. Se emplea una doble heteroestructura con los mismos fines que en los SLED, y además como guía de onda, se desarrollo posterior ante la demanda de fuentes que pudiesen alcanzar mayor distancia, a mayor longitud de onda y con mayor tasa binaria.

LED súper radiantes (SLD) Los LEDs súper radiantes o súper luminiscentes (SLD) son ELED que funcionan a un alto régimen de inyección de corriente. El fenómeno de la súper luminiscencia (obtención de más de un fotón en promedio por cada recombinación espontánea) aparece cuando los fotones producidos por emisión espontánea experimentan ganancia por emisión estimulada.

Diodo Laser Láser es el acrónimo de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. La emisión estimulada se produce cuando el diodo semiconductor es bombeado con fotones. Al pasar un fotón por el medio se genera otro fotón que tiene la misma frecuencia, fase y dirección que el primero. La luz generada es coherente y está focalizada.

Fabry Perot En la estructura del láser Fabry Perot la luz es reflejada y vuelta a reflejar entre dos espejos a ambos lados de un semiconductor. El material y los dos espejos forman una cavidad resonante que determina la longitud de onda. La luz emitida tiene muchos componentes espectrales y la energía se dispersa. Tiene cierta inestabilidad en la potencia de salida que se traduce como ruido y se utiliza para la transmisión de datos en el retorno.

VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) Láser de emisión superficial con cavidad vertical, es un diodo semiconductor que emite luz en un haz cilíndrico vertical de la superficie. Los VCSELs pueden ser construidos con GaAs, InGaAs.

DFB- Distributed FeedBack Laser Un láser de retroalimentación distribuida (DFB) es un tipo de láser de diodo, láser de cascada cuántica en el cuál la rejilla está distribuida a lo largo de todo el medio activo. La longitud de onda de la rejilla determina la longitud de onda emitida por el láser.

Diferencias 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

Tipo de dispositivo Longitud de onda (nm) Potencia dentro de la fibra (dBm) Ancho de banda Tipo de fibra LED 850, 1300 -30 a -10 <250 MHz multimodo Láser Fabry- Perot 850,1310 (1280-1330), 1550 (1480- 1650) 0 a +10 >10 GHz multimodo, monomodo Láser DFB 1550 (1480- 1650) 0 a + 13 (+25 con amplificador óptico) monomodo VCSEL 850 -10 a 0

Tipo de enlace Fibra Tipo de fuente Longitud de onda (nm) Potencia de transmisión (dBm) Sensibilida d del receptor (dBm) Margen del enlace (dB) Transmisión de voz monomodo Láser 1310/1550 +3 a -6 -30 a -45 30 a 40   DWDM 1550 +20 a 0 40 a 50 Transmisión de datos multimodo LED/ VCSEL 850 -3 a -15 -15 a -30 3 a 25 multimodo o monomodo 1310 -0 a -20 10 a 25 CATV(AM) +10 a 0 0 a -10 10 a 20

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