8NO FO Fuentes Ópticas

7/17/2019 8NO FO Fuentes Ópticas

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Fuentes ópticas



Dualidad onda-corpúsculo



Generación de la luz

Un fotón es una oscilación o una partícula, una conjunciónde ondas, y un paquete de energía electromagnética.



fecto fotoeléctrico

l efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones

por un material cuando se !ace incidir so"re la radiaciónelectromagnética. Dos tipos de interacción entre la luz y lamateria#

Fotoconductividad:

s el aumento de laconducti$idad eléctrica dela materia o en diodospro$ocada por la luz.Efecto fotovoltaico:%ransformación parcial dela energía luminosa enenergía eléctrica.



& '()# Distri"ución de *olztmann, pro"a"ilidad de que unelectrón presente energía (+./01-2 3456).

& n un gas# solamente son posi"les ciertos ni$eles discretos

de energía.

Distribución de Boltzmann

'ara entender los fundamentos de la radiación laser antes es

necesario conocer $arios conceptos, como son# los procesos dea"sorción y emisión de radiación y la in$ersión de po"lación.



& 7"sorción#

8e produce cuando el electrón pasa del estadofundamental a un ni$el energético m9s alto. 'ara poderpasar al estado m9s alto necesita a"sor"er un fotón.

& misión#

8e produce cuando el electrón pasa del estado e0citadoal estado fundamental, emite un fotón ( desprendeenergía ). 8i el cam"io de estado del electrón se producede forma espont9nea, sin que !aya ninguna causa que lopropicie, entonces se produce luz normal y el fenómenose conoce como emisión espontánea. 8i el tr9nsito seproduce por acción un fotón de igual energía que elelectrón, estamos ante un proceso de emisión

estimulada, donde el electrón al desprender energía lo

!ar9 en forma de otro fotón co!erente con el primero.

Absorción y emisión



& 7"sorción# %érmica# el electrón pasa de

a

2 a causa del proceso

térmico.

stimulada# un fotón con energía !$ 2 : incide ye0cita un electrón de a 2

& misión# spont9nea# el electrón retorna a en forma aleatoria

después de un tiempo de $ida τ.

stimulada# Un fotón con energía !$ 2 : , retorna unelectrón al estado , con la cual se crea un segundofotón !$.




& misión espont9nea# cfr ;D& misión estimulada# luz co!erente cfr ;aser. <otones

presentan la misma frecuencia y la misma fase.

& quili"rio# a"sorción estimulada cancela emisiónespont9nea.




instein mostró que "la probabilidad de que el fotón sea absorbido por

el átomo situado en el nivel inferior, equivale a la probabilidad de quedicho fotón provoque la emisión estimulada en el átomo situado en el

nivel superior" . =>ómo conseguir que la aumente?. <ran+lint, razonóque todo depende la cantidad de 9tomos que !ay en cada ni$el. 8i esmayor la cantidad de 9tomos en el ni$el inferior, con mayor frecuencia

suceder9 la a"sorción de fotones y el rayo de luz se de"ilitar9. 'ero sies mayor la cantidad de 9tomos e0citados, entonces m9s a menudotranscurrir9 la emisión estimulada y el rayo de luz se intensificar9. 'orlo tanto, para que el !az se intensifique es necesario crear unasituación de inversión de la población.

;a inversión de población consiste en tener m9s 9tomos e0citados que9tomos en el estado fundamental

Inversión de población



;a ganancia óptica es una propiedad que adquieren los materialessemiconductores cuando en ellos se consigue la situación de in$ersión

de la po"lación, que permite que se produzca el fenómeno de emisiónestimulada, y que éste predomine frente al de emisión espont9nea.

'ara que un material tenga ganancia óptica la densidad de portadoresinyectados en la zona acti$a !a de superar un $alor determinado

conocido como valor de transparencia (n0 ) . sto se consigue, porejemplo, inyectando electrones a una unión pn polarizada en directa.

;a ganancia del material , siendo sus unidades de in$erso de longitud(normalmente cm-) que se o"tiene a partir de la siguiente ecuación#

Ganancia óptica

Donde v g c!ng es la $elocidad de grupo y stim (#), abs(#) son

las tasas de emisión estimulada y a"sorción.



l c9lculo de g(#) se realiza en forma numérica, o"teniéndose cur$asque muestran su $alor, en función de la energía de la radicacióne0presada en e@ para diferentes $alores de la densidad de portadores

inyectados. Un ejemplo de este tipo de cur$a es la siguiente figura#

'ara densidades inferiores a n0 , laganancia óptica es siempre

negati$a y por tanto, no seconsigue emisión estimulada. 8i ladensidad de portadoresinyectados es n

0e0isten

longitudes de onda para las que

se produce emisión estimulada. 7mayor $alor de la densidad deportadores inyectados, mayor esla zona del espectro para la quese o"tiene amplificación óptica.



%am"ién puede o"ser$arse que el m90imo $alor de laganancia se desplaza !acia longitudes de onda m9s cortas

(mayores $alores de energía) al incrementarse la densidadde portadores inyectados.

De estas cur$as puede deducirse que cuanto mayor es eldopaje del semiconductor, crece la ganancia óptica, porque

aumenta la densidad de portadores. A $ice$ersa, cuantomenos impurezas inyectamos en el semiconductor,disminuye la cantidad de portadores y por tanto, laganancia óptica disminuye. >on esto y la forma de las

cur$a, se concluye que lo que interesa es traba$ar en laszonas de los picos, donde se consigue una mayor ganancia

con menos dopa$e del semiconductor.



lectrones y !uecos

& lectrones saltando desde una "anda de $alenciadejan un !ueco& Baterial intrínseco (8i puro)# no dopado, a

temperatura constante , el número de !uecos es

igual al número de electrones li"res& Baterial e0trínseco# Dopado con impurezasdonoras (tipo C) o aceptoras (tipo ').



3untura p-n

;a energía de"ido a la recom"inación de electrones y!uecos puede li"erarse en forma de luz# g !$



Geometría de ;9ser o ;D

& %ípicamente# 1µ, d 1,2µ, ; 11-E11µ& 'ara un mejor acoplamiento de la luz en la fi"ra y

para concentrar la corriente, el anc!o de la fuentede"e ser limitado.



Feterojunturas

& nterfaz entre dos semiconductores con diferentesenergías de onda de a"ertura g.& Feterojuntura do"le# dos !eterojunturas.& >onfinamiento de la luz en la región acti$a a causa de# >oncentración de electrones en la región acti$a ndice de refracción m9s alto en la región acti$a (guiaonda).

& Heducción de la corriente um"ral para pro$ocar emisiónestimulada# Fomojuntura# corriente um"ral 7

Feterojuntura# corriente um"ral I1 : 211 m7.



Feterojunturas

ndice derefracción



;aser# !eterojuntura do"le



;D# >ur$as de potencia



;D# características

& structura ;D "asada en !eterojuntura do"le.

& ;uz generada por emisión espont9nea# nopolarizada, gran anc!o de "anda espectral (típico/1 nm J 1 n).

& >ur$a '- lineal sal$o cuando la corriente es muyalta.

& Co presenta corriente um"ralK& <recuencia de modulación L 211 BFz.



Hadiación de un ;D

& 8i el campo eléctrico so"re la superficie emisora $aría con

fase aleatoria, la luz emitida presenta una distri"uciónlam"ertiana# α cos θ (θ des$iación angular respecto a lanormal, intensidad).

& 7 causa de esto# *ajo acoplamiento en la fi"ra.

& n forma general# si la luz emitida sigue una distri"ución α (cosθ)m , la potencia acoplada 'c, ser9, con 's#potencia fuente#

'c 4 's - (cosθ)mM



Distri"ución ;am"ertiana



;D emisor superficial

& %am"ién llamado ;D *urrus, surface emitting ;D.& misión restringida en una pequeNa región acti$a.& 'otencia inyectada en una fi"ra típicamente del orden

-2d"m (I1 µO)



;D de emisión lateral

& dge mitting ;D en inglés.& 'resenta la misma estructura de un ;9ser, pero con unacapa anti-reflecti$a en las caras, para pre$enir emisiónestimulada.

&Guía de onda en la región acti$a pro$oca unestrec!amiento de la radiación.

& 'otencia inyectada en una fi"ra típ. - d"m.



;aser Diodes (;D)

& 2 condiciones para efecto lasing# n$ersión de la po"lación Healimentación óptica (resonancia)

& n$ersión de po"lación se produce cuando el

número de electrones inyectados so"repasaum"ral Ct (transparencia)& >uando C P Ct, la onda propagada en ;D se

amplifica con un factor egz (z# longitud de

propagación), g ganacia P 1.



Ganancia (λ, C)



Quamtum :ell, -ire, dot ;asers

&dea# restringir el número de estados de energíaposi"les de los electrones.

& >ómo se !ace?# restringiendo las dimensiones dela región acti$a (!asta 1.11I : 1.11 µm, es decir

R a I 9tomos) (cfr "ul+ laser# d 1.2 µm). n una dirección# quantum ell n dos direcciones# quantum ire n tres direcciones# quantum dot

& BQO# Bultiple Quantum Oell lasers# multiplesregiones acti$as.



@entajas de Quamtum ell ;asers

& >orriente de um"ral m9s "aja.& Cecesita menos corriente para la misma

potencia.

& Benor dependencia de la temperatura.& Bejor $elocidad de modulación& Benor anc!o de "anda espectral.



>ur$a '- (;D)

& ηd quantum efficiency#

Hazón de los fotones quesalen a los fotonesgenerados.

& q carga del electrón#,S 0 1-T >

& t! corriente um"ral



>ur$a '- (por efecto de la temperatura)

& 7lta dependencia de la temperatura.& 1, %1 determinados e0perimentalmente.



;aser <a"ry - 'erot

& spejos# puliendo las caras de las junturas. Hefle0ión de<resnel en la interfaz con el aire (n,I, H 1 )& ndice de grupo (ng)# Dispersión.& @alores típicos# ; 211 -E11 µm. δλ 1.I : nm.& Buc!os modos logran um"ral de efecto l9ser (espectro

multimodo). Bodo primario es el m9s cercano de la sumade cur$a de ganacia.

& 7nc!o de "anda d"# 2 : I nm.& Bode suppression ratio B8H 'main mode 4 'st side mode

B8H 21 : 1 d". B8H proporcional a la potencia



spetro de un ;D <a"ry - 'erot



;D <a"ry : 'erot# estructura



Bodulación de un ;D

& 'olarización cercana al um"ral, modulado a un$alor muc!o mayor (large signal modulation)& 7plicación de un escalón de corriente#

Hetraso τd (2 -I nsec) si "ias L t!. 'or eso normalmente"ias P t!, pero t! dependiente de la temperatura.

Vscilaciones de relajación# intercam"io de energía

entre fotones y electrones.



;D off - on



8ensi"ilidad de ;D a potencia reflejada

& >omponentes de emisión espont9nea causan

fluctuaciones aleatorias de amplitud.

& <luctuaciones de amplitud causan fluctuacionesde fase aumentado el anc!o espectral.

& De"ido a que la potencia reflejada aumenta laemisión espont9nea, cada potencia reflejada de

$uelta en el ;D (pro$eniente de empalmes,conectores, etc.) de"e ser minimizada.



Hequerimientos de una fuente óptica

>ompati"les con el acoplamiento de la luz en la

fi"ra. dealmente alta direccional. De"e seguir e0actamente a la seNal eléctrica. ;ongitud de onda coincidente o cercana a aquella

donde la fi"ra tiene "aja perdida y dispersión. 'otencia de"e so"repasar todas las pérdidas del

trayecto. spectro angosto para minimizar la dispersión. *ajo consumo de energía.

8alida esta"le. conómica.



<uentes ópticas

;as fuentes ópticas son componentes acti$os en un

sistema de comunicaciones por fi"ra óptica, cuyafunción es con$ertir la energía eléctrica en energíaóptica, de manera eficiente de modo que permita que lasalida de luz sea efecti$amente inyectada o acoplada

dentro de la fi"ra óptica.;as longitudes de onda m9s usadas son#& /I1 nm (distancias cortas)& 1 nm (8in dispersión del material)& II1 nm (fi"ras monomodo).

;os emisores de luz para comunicaciones ópticas quee0isten son de dos tipos#

& misores de luz no co!erente# ;D (;ig!t mitting Diode)& misores de ;uz co!erente# ;D (;aser Diode)



%ipos de fuentes ópticasl laser de semiconductores (diodo laser) y el ;D (diodo

electroluminiscente) se usan uni$ersalmente como fuentesluminosas en los sistemas de comunicaciones ópticas,de"ido a ningún otro tipo de fuente óptica puede modularsedirectamente a las altas $elocidades de transmisión

requerida, con tan "aja e0citación y tan "aja salida.



Diodo emisor de luz (;ig!t mitting Diode);as fuentes de luz no co!erente ;D son una unión p-n polarizada que

emiten radiación óptica de acuerdo con la intensidad eléctrica que se!aga pasar por la misma.



;D de emisión lateralo por el "orde, ;D.

;D súper luminiscente, 8;D.

;D emisión superficial,8;D.

*9sicamente e0isten tres clases de diodos ;D utilizados en lossistemas de transmisión de fi"ra óptica y son#



Los LEDs se utiliza eneralmente en sistemas decomunicación con:

<i"ras multimodo de apertura numérica alta.

8ecciones de regeneración pequeNa orecorridos cortos como en redes locales otendidas en pequeNas 9reas.

*aja $elocidades de modulación, función delanc!o de "anda permitido.



LA!E" #Li$t Amplification by !imulated Emission of"adiation%&

8on <uentes de luz co!erente de emisión estimulada conespejos semi-reflejantes formando una ca$idad resonante, lacual sir$e para realizar la retroalimentación óptica.

l laser se caracteriza por

emitir !aces luminososestimulados y por lo tantoco!erentes, lo que produceque se aumente lapotencia de salida,

disminuyan los anc!osespectrales y el !az de luzsea muc!o mas directi$o.ntre los principales tipos

de diodos laser se tiene#



Fabry 'erot

()!EL

#(ertical*)avity !urfaceEmittin Laser%

DFB#Distributed FeedBac+ Laser%

DB"

#Didtributed Bra "eflector%



L,ser se utiliza eneralmente en sistemas decomunicación con:

'otencias ópticas de salida alta.

<i"ras nomomodo o multimodo.

7lta $elocidad m90ima de modulación ygrandes capacidades de transmisión.

Gran longitud, donde se requiere altapotencia y "aja dispersión en la fi"ra.



Diferencias entre Diodos ;D y ;Dmisión de luz de ;D-;D



Item LED LD

Tipo de Fibra MM SM, MM Tx de Datos Bajo Alto Tiempo de

vida Largo ortoosto Bajo Alto



(enta-as y desventa-as del LD respecto al LED

@entajas ;aser <recuencia de modulación m9salta.'otencia óptica alta (;D# µW;D# mO).

7coplamiento de la fi"ra a lafuente m9s eficiente. 7nc!o espectral m9s estrec!o(menor dispersión crom9tica)

Des$entajas ;aser fecto ;aser comienza desdeuna corriente um"ral (I1 m7).lectrónica m9s complicada.B9s cara.@ida útil m9s corta (de"ido acorrientes m9s altas)

Generalmente. se utiliza LD en telecomunicacionesy LED en trasmisiones de datos #LA/%



0ransmisor óptico

)ontrolador #

Generalmente lo constituye la fuente de alimentación que, enausencia de modulador e0terno, permite tam"ién modular la fuenteóptica (control so"re la inyección de corriente) con la seNal deentrada.



1odulador #;os dos principales métodos empleados para $ariar la seNal óptica desalida de los diodos son# ;a modulación '>B para sistemas digitales

y la Bodulación 7B, para sistemas analógicos.

Acoplador #

Bicro lentes para focalizar la luz en la entrada de la fi"ra.

Fuente 2ptica#

;as fuentes ópticas son componentes acti$os en un sistema decomunicaciones por fi"ra óptica, cuya función es con$ertir la energía

eléctrica en energía óptica, de manera eficiente de modo que permitaque la salida de luz sea efecti$amente inyectada o acoplada dentrode la fi"ra óptica.



jemplos de fuentes ópticas)aracter3sticas:

&/ canales de módulos de fuente selecciona"les por el usuario de laser.& sta"ilidad de la longitud de onda de Xpm con esta"ilidad de la energíade X1.11d*.& <uentes especificadas cliente del ODB D<* que cu"ren 8, >, y ; $endasen !asta 21mO por el canal.&Bodulación síncrona interna a I116Fz.&Bódulos de interruptor ópticos de fi"ra disponi"les.

&nterfaces G'*4E// y H8-22.



sta nue$a fuente $iene equipada con un potenciómetro, que permite adaptar lapotencia de la luz a su aplicación. 'uede incluir opcionalmente un mecanismo deo"turación controla"le, así como un sistema de regulación remoto $ía t!ernet o

H8-22 que permite el control desde cualquier sistema e0terno.

M!DEL!

F"ente

de

Il"mina#i

$n

olor

Long.

de

!nda

Dimensiones ontrol

S%&A'()*( LED roja *'+ ')x)-x*mm

/S&''0Et1ernet

S%&

A'()*(.LED

blan#

a2'

')x)-x*

mm

/S&

''0Et1ernetS%&

A'()*(.'LED

verd

e+'+

')x)-x*

mm

/S&

''0Et1ernet

S%& LED a3"l 2-( ')x)-x* /S&



;C>7 produce fuentes de luz con tres tipos de familias de las l9mparas# ;os;D, F7;YGCV, F7;UHV del B%7;, en di$ersos attages a partir del la"ran 2I1. l denominador común de la amplia gama de fuentes de luz es elalto rendimiento, la larga $ida, la instalación f9cil y el mantenimiento reducido.

&>uerpo en de aluminio y4o plateado de metal sacada. 'intura de epo0y.&@entiladores de enfriamiento silenciados del alto rendimiento.&<usi"les de la protección y protecciones termales del recomenzar autom9tico.&Heflectores en $idrio fresco dicroico del espejo o aluminio estupendo-purometalizado del alto $acío.&>olor, H y filtros U;%H7@V;%7 en $idrio con el tratamiento dicroico.@ersiones 'E1 a petición.&@oltajes especiales a petición.



Media Converter Adecomm

gero óptico de fbra del LED, Fuente de luz LED (O!

Z '!oto poer out4electrical poer



LED4s

E5ternal 6uantum efficiency: is due to reflections in t$eInterface air*semiconductor

Z '!oto poer out4electrical poer



Li$t Emittin Diode #LED%

& ;D $.s. ncandescent (dison4s lig!t"ul") and <lourescent*ul"s : Buc! longer life span (1I - 1S !rs $.s. 1. 4 1E !rs) : 8uita"le for applications t!at are su"ject to frequent on-off cycling : fficiency# "etter t!an incandescent "ut currently orse t!an

flourescent "ul"s



LEDs for li$tin

& 78 (olt 1"79 LED spotli$t bulbs

& ac! ;D spotlig!t !as 21 ultra"rig!t I,111mcd ;Ds producinga similar amount of lig!t to a 21O !alogen "ul"

& Oatt of poerK



LED Efficiency

& nternal Quantum fficiency (5int6

7 De8nition9 ratio of t!e num"er of electrons

floing in t!e e0ternal circuit to t!e num"er ofp!otons produced %ithin t!e de$ice

: Fas "een impro$ed up to /1

& 0ternal Quantum fficiency

: Definition# %!e percentage of p!otons t!at can"e e0tracted to t!e am"ient.

: %ypically [ 1

: ;imiting factor of ;D efficiency

: mpro$ement tec!niques# dome-s!aped

pac+age, te0tured surface, p!otonic crystal, :

!ource: Lecture /ote of ;ptoelectronic Devices< #by !$en*fu=orn. Dept& of Electrical Enr. /0=>. =sinc$u. 0ai?an%





;ptoacopladores

& 7islación eléctrica entre dos

circuitos. >omunicación óptica

& %ípicamente se utilizan !aces deluz entre el rojo al infrarrojo

& >aracterísticas importantes# : %ensión de aislación

: *uena relación de transferencia

: *aja capacidad de acoplamiento

: mnunidad a interferencias

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