FUENTES OPTICAS

FUENTES OPTICAS

Uno de los componentes claves en las comunicaciones ópticas es la fuente de luz monocromática. En sistemas de comunicaciones ópticas, las fuentes de luz deben ser compactas, monocromáticas, estables y de larga duración, es decir que tengan una vida útil considerable. En la práctica no hay fuentes de luz monocromáticas; hay fuentes que emiten luz dentro de una banda estrecha de longitudes de onda. 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 luz sea efectivamente inyectada o acoplada dentro de la fibra óptica.

Los requerimientos principales para estas fuentes ópticas son:

 Dimensiones compatibles con el de la fibra.

 Linealidad en la característica de conversión electro – óptica.

 Características de emisión compatible con las características de transmisión de la fibra óptica.

 Gran capacidad de modulación.

 Suficiente potencia óptica de salida y eficiencia de acoplamiento.

 Funcionamiento estable con la temperatura.

 Confiabilidad. (Tiempo de vida útil).

 Bajo consumo de energía.

 Economía.

Características de las fuentes ópticas.

 Convierte impulsos eléctricos en señales luminosas.

 Genera luz compuesta por corpúsculos de energía o cuantos de luz. (fotones)

 Las longitudes de onda más utilizadas son:

 850 nm (Aplicada para distancias cortas)

 1310 nm (No dispersión material, Datacom/Telecom)

 1550nm (fibras de modo simple, Telecomunicaciones)

Elementos Emisores.

En esencia solo hay dos tipos de dispositivos que se usan con frecuencia para generar luz en sistemas de comunicaciones con fibra óptica:

1. Diodos emisores de luz (LED)

2. Diodos Laser de inyección (ILD) LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Ambos dispositivos se fabrican con materiales semiconductores, y tienen sus ventajas y desventajas. Se puede decir, introductoriamente, que los LED tienen anchos espectrales de, aproximadamente, 30 a 50 nm, mientras que los láseres de inyección solo tienen anchos espectrales de 1 a 3 nm (1 nm equivale a una frecuencia aproximada de 178 GHz). Por consiguiente una fuente luminosa de 1320 nm.

La preferencia hacia un dispositivo de luz respecto a otro se determina con los requisitos económicos y de funcionamiento del sistema. El mayor costo de los diodos laser se compensa con una mayor eficiencia, mientras que los emisores de luz, normalmente, tienen menor costo y menor eficiencia.

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.

1. Diodos Emisores de luz (LED)

Es un dispositivo semiconductor que emite luz incoherente de espectro reducido cuando se polariza de forma directa la unión PN del mismo y circula por él una corriente eléctrica. Este fenómeno es una forma de electroluminiscencia. El color (longitud de onda), depende del material semiconductor empleado en la construcción del diodo y puede variar desde el ultravioleta, pasando por el visible, hasta el infrarrojo.

Simbología de diodo LED

Funcionamiento físico del LED

El funcionamiento físico consiste en que (en los materiales semiconductores) un electrón al pasar de la banda de conducción a la de valencia, pierde energía; esta energía perdida se puede manifestar en forma de un fotón desprendido, con una amplitud, una dirección y una fase aleatoria. El que esa energía se manifieste en (calor por ejemplo) va a depender principalmente del tipo de material semiconductor. Cuando Al polarizar directamente un diodo LED conseguimos que por la unión PN sean inyectados huecos en el material tipo N y electrones en el material tipo P. Es decir los huecos de la zona p se mueven hacia la zona n y los electrones de la zona n hacia la zona p, produciéndose por consiguiente, una inyección de portadores minoritarios.

Ambos desplazamientos de cargas constituyen la corriente que circula por el diodo. Si los electrones y huecos están en la misma región, pueden recombinarse, donde los electrones pueden pasar a "ocupar" los huecos, "cayendo" desde un nivel energético superior a otro inferior más estable

Cuando estos portadores se recombinan, se produce la liberación de una cantidad de energía proporcional al salto de banda de energía del material semiconductor. Una parte de esta energía se libera en forma de luz, mientras que la parte restante lo hace en forma de calor, estando determinadas las proporciones por la mezcla de los procesos de recombinación que se producen.

La energía contenida en un fotón de luz es proporcional a su frecuencia, es decir, su color. Cuanto mayor sea el salto de banda de energía del material semiconductor que forma el LED, más elevada será la frecuencia de la luz emitida.

Los fotones son partículas que viajan a la velocidad de la luz, pero que en reposo no tienen masa. En los diodos semiconductores convencionales (por ejemplo, de germanio y de silicio), el proceso es principalmente no radiactivo, y no se generan fotones, La banda prohibida (Teoría de bandas ver Anexos) del material que se usa para fabricar un LED determina el color de la luz que emite, y si la luz emitida es visible al ojo humano.

Para producir longitudes de onda de luz en la región de 800 nm. Los LED son de átomo de grupo III, como por ejemplo, galio (Ga) y Aluminio (Al), y un átomo de grupo V, como el Arsénico (As). La unión que se forma se abrevia GaAlAs, que indica arseniuro de galio y aluminio.

Para longitudes de onda mayores, el galio, junto con el indio (In), un átomo de grupo III, se combinan con átomos de fosforo (P) y arsénico. Del grupo V, con lo que se forma arseniuro fosfuro de galio e indio (Ga, In, As, P). En la tabla siguiente se indican algunos materiales semiconductores comunes que se usan para fabricar LED, con sus respectivas longitudes de onda.

...