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Fibra Óptica // Grupo Nº2 // Diego Alarcón – Andrés Gonzales // Ing. Félix Pinto // UDABOL I/2014

GRUPO Nº 2SISTEMAS DE COMUNICACIÓN POR FIBRA OPTICA

FUENTES OPTICAS

INTRODUCCION

La fibra óptica, o la tecnología óptica, se convierte rápidamente en el método preferido para la transmisión digital. Las fibras ópticas superan las desventajas de las microondas. Presentan un gran ancho de banda.

El cable de fibra óptica supone también un apropiado sustituto a los cables de pares debido a su mayor capacidad y su más pequeño diámetro. El diámetro es una característica importante cuando las vías de comunicación resultan congestionadas y deben ser aumentadas para contener más cables portadores. Sustituyendo un único cable de cobre por fibra óptica se puede, generalmente obtener la suficiente capacidad para prevenir los incrementos de vías de comunicación en el futuro.

Quizás la principal desventaja sea mantener la fibra libre de daños. Al igual que los cables de cobre, las fibras ópticas pueden deteriorarse por las excavaciones, corrimientos de tierras, etc.

Marco Teórico.

Principio de Generación del Fotón.

En física moderna, el fotón es la partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético. Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo a los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible (espectro electromagnético), la luz infrarroja, las microondas, y las ondas de radio.

Para la luz visible, la energía portada por un fotón es de alrededor de 4×10-19 julios; esta energía es suficiente para excitar un ojo y dar lugar a la visión. Además de energía, los fotones llevan también asociada una cantidad de movimiento o momento lineal, y tienen una polarización. Siguen las leyes de la mecánica cuántica, lo que significa que a menudo estas propiedades no tienen un valor bien definido para un fotón dado. En su lugar se habla de las probabilidades de que tenga una cierta polarización, posición, o cantidad de movimiento.

La liberación de energía es realizada en la forma de fotones. El fotón es el menor valor de energía de un proceso cuántico. Sin embargo, la energía de un fotón depende de la longitud de onda de la radiación asociado al fotón.


Generación de la luz

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

Su aspecto de partícula está relacionado con su momento lineal su existencia como partícula y la presión que ejerce sobre la materia adyacente. Su cuantificación está relacionada con su momento angular constante, y su energía cuantificada forma dos espectros diferentes de cuerpo negro e ionizante.

Los fotones no viajan a través del espacio, ni tienen una estructura fibrosa. Los fotones son globulares y son creados y destruidos al momento. Los rayos son simplemente una forma probabilística de aproximar la realidad física de la onda de fase o de excitación que transmite a través del espacio el estímulo indirecto para la producción de luz. En el caso de fotones de cuerpo negro, siempre tiene que intervenir un intermediario entre la onda de fase y la producción de fotones, o luz; el intermediario es siempre una carga con masa.

Representación esquemática de la interacción entre fotones y electrones en los materiales.

Para transmitir información mediante señales luminosas a través de un conductor (fibra óptica) se requiere que en el punto emisor y receptor existan elementos para convertir las señales eléctricas en ópticas y viceversa.

En el extremo emisor la intensidad de una fuente luminosa se modula mediante una señal eléctrica y en el extremo receptor, la señal óptica se convierte en una señal eléctrica.

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

En el semiconductor para pasar un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción, existe energía absorbida por incidencia de un fotón. Proceso inverso se realiza para liberar fotones.

E=EC - EV

Donde:

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

E es una característica del material y se puede cambiar en función al contaminante empleado en el semiconductor.


Cuando se libera un fotón se lo puede hacer de dos maneras: espontánea o estimulada. En la emisión espontánea no existe ningún medio externo que induzca al electrón pasar de la banda de conducción a la banda de valencia. En la emisión estimulada un fotón induce a que el electrón pase a su estado de reposo, liberando un fotón, en cuyo caso se dice que existe amplificación, si además existe retroalimentación y un elemento de selectividad, se logrará tener emisiones coherentes (mediante espejos). Una representación de estos procesos se indica en la figura que se encuentra a continuación.

Fuentes ópticas

En esencia solo hay dos dispositivos que se usan con frecuencia para generar luz en sistemas de comunicaciones con fibra óptica: diodos emisores de luz (LED) y diodos de laser de inyección (ILD, de injection laser diode). Ambos dispositivos se fabrican con materiales semiconductores, y tienen sus ventajas y desventajas. Los LED normales tienen anchos espectrales de 30 a 50nm, mientras que los láseres de inyección solo tienen anchos espectrales de 1 a 3nm (1nm corresponde a una frecuencia aproximada de unos 178 GHz). Por consiguiente una fuente luminosa de 1320nm con ancho de raya espectral de 0,0056nm tiene una amplitud de banda de frecuencias aproximada de 1Ghz. El ancho de raya es el equivalente, en longitudes de onda, del ancho de banda.

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.

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

Diodos emisores de luz

Un diodo emisor de luz (LED, por light-emitting diode) es un diodo de unión p-n, fabricado casi siempre con un material semiconductor como el arseniuro de aluminio y galio (AlGaAs) o el arseniuro fosfuro de galio (GaAsP). Los LED emiten luz por emisión espontanea: la luz se emite como resultado de la recombinación de electrones con huecos. Cuando tienen polarización directa, los portadores minoritarios se inyectan a través de la unión p-n. Una vez atravesada la unión, esos portadores minoritarios se recombinan con portadores mayoritarios y desprenden energía en forma de luz. Este proceso es esencialmente el mismo que en un diodo semiconductor convencional, pero en los LED se eligen ciertos materiales semiconductores y dopantes tales que el proceso es radiativo; esto es, que se produce un fotón. Este es un cuanto de energía de onda electromagnética. Los fotones son partículas que viajan a la velocidad de la luz, pero que en reposo no tienen masa. En los diodos de semiconductores convencionales (por


ejemplo, de germanio y de silicio), el proceso es principalmente no radiativo, y no se generan fotones. La banda prohibida del material que se usa para fabricar un LED determina el color de la luz que emite, y si la luz que emite es visible al ojo humano.

Para producir los LED, se forman semiconductores con materiales cuyos átomos tienen tres o cinco electrones de valencia; se conocen como átomos del grupo III o del grupo V, respectivamente, por su lugar en la tabla periódica de los elementos. Para producir longitudes de onda de luz en la región de 800nm, los LED son de átomos del grupo III, como por ejemplo, galio (GA) y aluminio (Al), y un átomo del 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 del grupo III, se combinan con átomos de fosforo (P) y arsénico, del grupo V, con lo que se forma un arseniuro fosforo de galio e indio (GaInAsP). La tabla 11.4 es una lista de algunos materiales semiconductores comunes que se usan para fabricar LED, con sus longitudes de onda respectivas.

LED de homounión

Una unión p-n formada con dos mezclas distintas de igual tipo de átomos se llama estructura de homounión. Las estructuras más sencillas de LED son las de homounión y de crecimiento epitaxial, o dispositivos semiconductores de un solo semiconductor difundido, como los de la figura. Los LED de crecimiento epitaxial se fabrican en general con arseniuro de galio dopado con silicio. Una longitud de onda normal emitida con esta estructura es 940 nm, y la potencia normal de salida es aproximadamente, 2 mW (3 dBm) a 100 mA de corriente directa. Las ondas luminosas producidas en fuentes de homounión no producen una luz muy útil para una fibra óptica. La luz se emite en todas direcciones por igual, y en consecuencia, solo una pequeña fracción del total de luz producida se acopla en la fibra. Además, la relación de electricidad convertida en luz es muy baja. A los dispositivos de homounión se les llama con frecuencia emisores superficiales.

Los LED de homounión de difusión plana producen más o menos 500 µW a 900 nm de longitud de onda. La principal desventaja de los LED de homounión es la no direccionalidad de su luz emitida, lo que hace que sean malas opciones como fuente luminosa para sistemas de fibra óptica.


Figura 1: Estructuras de LED de homounión: [a] arseniuro de galio dopado con silicio; [b] difusión plana

LED de heterounión

Los LED de heterounión se fabrican con material semiconductor tipo p de un conjunto de átomos, y material semiconductor tipo n, de otro conjunto. Los dispositivos de heterounión están estratificados (normalmente dos capas) de tal manera que se amplía el efecto de concentración. Así, se produce un dispositivo que confina a los electrones, los huecos portadores y la luz, en un área mucho menor. La unión se suele fabricar sobre un substrato de material de respaldo, para después emparedarse entre contactos metálicos con los que se conecta el dispositivo a una fuente de electricidad

Con los dispositivos de heterounión, la luz se emite desde la orilla del material y, en consecuencia, se les llama emisores de borde. Un LED de heterounión plana (fig. 2) se parece mucho al LED de crecimiento epitaxial, excepto que el diseño geométrico es tal que se concentra la corriente directa en un área muy pequeña de la capa activa.

Los dispositivos de heterounión tienen las siguientes ventajas sobre los de homounión:

1. El aumento de densidad de corriente genera una mancha luminosa más brillante.2. La menor área emisora facilita acoplar la luz emitida a una fibra.3. La pequeña área efectiva tiene menor capacitancia, lo que permite usar el LED de

heterounión a mayores velocidades

La fig. 3 muestra las características eléctricas típicas de un diodo emisor de luz infrarroja de bajo costo. La parte (a) de esta figura representa la potencia de salida en función de la corriente directa. Se puede ver que la potencia de salida varía en forma lineal dentro de un amplio margen de corriente de entrada [0.5 mW (-3dBm) a 20 mA hasta 3.4 mW (5.3dBm) a 140 mA]. La fig. 3b muestra la potencia de salida relativa en función de la temperatura. Se aprecia que la


potencia de salida tiene una variación inversa respecto a la temperatura, dentro del intervalo de -40o C a 80o C. La fig. 3c muestra la potencia relativa de salida en función de la longitud de la onda de salida. Para este ejemplo particular; la potencia máxima de salida se alcanza a una longitud de 825 nm a la salida.

Figura 2: LED de heterounión plana

Figura 3 Características eléctricas típicas de los LED: [a] potencia de salida en función de la corriente directa; [b] potencia de salida en función de la temperatura; [c] potencia de salida en función de la longitud de onda.

LED de superficie emisora y pozo grabado de Burrus. Para las aplicaciones más prácticas, como telecomunicaciones, se requieren velocidades de datos mayores que 100 Mbps. Para estas aplicaciones se desarrolló el LED de pozo grabado, por parte de Burrus y Dawson, de los Bell Laboratories. Es un LED de superficie emisora, y se ve en la fig. 4. Emite luz en muchas direcciones, y ayuda a concentrar la luz emitida en un área muy pequeña. También se puede poner lentes en domo, sobre la superficie emisora, para dirigir la luz hacia un área menor. Estos dispositivos son más eficientes que los emisores normales de superficie, y permiten acoplar más potencia a la fibra óptica, pero su fabricación es más difícil y costosa.


Figura 4 LED de Burrus, de superficie emisora y pozo grabado

LED emisores de borde. El LED emisor de borde, desarrollado por la RCA, se ve en la fig. 5. Estos LED emiten una distribución más direccional de luz que los LED de superficie emisora. La fabricación se parece a los diodos planos y de Burrus, pero la superficie emisora es una banda, más que un área circular confinada. La luz de emite de una banda activa y forma un haz elíptico. Los LED de superficie emisora se usan con más frecuencia que los emisores de borde, porque emiten más luz. Sin embargo, las pérdidas por el acoplamiento de los emisores de superficie son mayores, y tienen anchos de banda más angostos.

La potencia luminosa radiante que emite un LED es una función lineal de la corriente directa que pasa por el dispositivo (fig. 6). También se ve que la potencia óptica de salida se un LED es, en parte, una función de la temperatura de funcionamiento.

Figura 5 LED emisor de borde


Diodo de laser de inyección.

Los láseres se fabrican con muchos y diversos materiales, que incluyen gases, líquidos y sólidos, aunque el tipo de laser que se usa con más frecuencia para comunicaciones con fibra óptica es el láser semiconductor.

El diodo de laser de inyección (ILD, de injection laser diode) se parece al LED. De hecho, por debajo de cierta corriente umbral, un ILD funciona en forma parecida a un LED. Arriba de la corriente de umbral un ILD oscila y se produce la emisión laser. Al pasar la corriente por un diodo de unión p-n de polarización directa, se emite luz por emisión espontanea, a una frecuencia determinada por la banda prohibida del material semiconductor. Cuando se llega a determinado valor de la frecuencia, la cantidad de portadores minoritarios y de fotones que se produce en ambos lados de la unión p-n llega a un valor en el que comienzan a chocar con portadores minoritarias ya excitados. Esto causa un aumento en el nivel de la energía de la ionización y hacen que los portadores sean inestables. Al suceder esto, un portador normal se recombina con un portador del tipo contrario a un valor de la energía que es mayor que si valor normal antes del choque. En el proceso se crean dos fotones; uno es estimulado por otro. En esencia, se realiza una ganancia en la cantidad de fotones. Para que eso suceda se requiere una gran corriente directa que pueda suministrar muchos portadores (huecos y electrones).

La fabricación de un ILD se parece a la de un LED (fig. 7), excepto que los extremos están muy pulidos. Los extremos con acabado de espejo atrapan los fotones en la región activa y, al reflejarse de un lado a otro, estimulan electrones libres, para recombinarse con huecos a un valor de energía mayor que el normal. Este es el proceso llamado laser, o estimulación de emisión.

La potencia luminosa radiante de salida de un ILD típico se ve en la fig. 8. Se aprecia que se obtiene muy poca potencia de salida hasta que se llega a la corriente de umbral; entonces se produce la estimulación. Después de comenzada la estimulación, la potencia óptica de salida aumenta en forma dramática, con pequeños aumentos en la corriente de activación. También se ve que la magnitud de la potencia óptica de salida del ILD depende más de la temperatura de funcionamiento que en el caso del LED.

La fig. 9 muestra las distribuciones de irradiación de luz normales en un LED y en un ILD. Como la luz se irradia saliendo del extremo de un ILD en forma de haz angosto y concentrado, tiene una distribución de radiación más dirigida.


Figura 7 Construcción de un diodo laser de inyección

Figura 8 Potencia de salida en función de la corriente directa y la temperatura, para

un ILD

Figura 9 Distribuidores de radiación de un LED y de un ILD

Ventajas de los ILD

1. Como los ILD tienen una distribución de irradiación más dirigida, es más fácil de acoplar su luz en una fibra óptica. Esto reduce las perdidas por acoplamiento y permite usar fibras más pequeñas.

2. La potencia radiante de salida de un ILD es mayor que la de un LED. Una potencia normal de salida de un ILD es 5 mW (7dBm), en comparación con 0.5 mW (-3 dBm) para los LED. Eso permite que los ILD proporcionen una mayor potencia de activación, y usarlos en sistemas que funcionen a través de mayores distancias.

3. Los ILD se pueden usar a frecuencias mayores de bits que los LED.4. Los ILD generan luz monocromática, lo cual reduce la dispersión cromática o de

longitudes de onda.


Desventajas de los ILD

1. Los ILD cuestan normalmente 10 veces más que los LED.2. Como los ILD trabajan con mayores potencias, suelen tener duraciones mucho menores

que los LED.3. Los ILD dependen más de la temperatura que los ILD.

LASERES

La tecnología láser se centra en la concentración de luz en forma de haces muy pequeños y poderosos. El acrónimo se generalizo cuando la tecnología pasó de las microondas a las ondas de luz.

El primer laser fue desarrollado por Theodore H. Mainman, científico de Hughes Aircraft Company, de California. Dirigió un rayo de luz a cristales de rubí, con una lámpara de xenón, y midió la radiación emitida por el rubí. Descubrió que cuando la radiación emitida aumentaba de cierto umbral, se volvía en extremo intensa, y muy direccional. Los láseres de uranio se desarrollaron en 1960, junto con los de otros materiales de tierras raras. También en 1960, A. Javin de los Bell Laboratories desarrollo el láser de helio. Los láseres de semiconductor (diodos de inyección laser) se fabricaron en 1962, en General Electric, IBM y Lincoln Laboratories.

Tipos de láser.

Básicamente hay cuatro tipos de laser: de gas, líquido, sólido y semiconductor.

1. Láseres de gas. Los láseres de gas usan una mezcla de helio y neón encerrada en un tubo de vidrio. Cuando se descarga una corriente en el gas se emite un flujo de ondas luminosas coherentes (de una frecuencia) a través del acoplador de salida. La salida de onda luminosa continua es monocromática (de un valor).

2. Láseres de líquido. En estos láseres se usan colorantes orgánicos encerrados en un tubo de vidrio, como medio activo. El colorante se hace circular con una bomba dentro del tubo. Un pulso poderoso de luz excita al colorante orgánico.

3. Láseres de sólido. En ellos se usa un cristal cilíndrico y macizo, como el rubí, como medio activo. Cada extremo del rubí esta pulido y paralelo al otro. El rubí se excita con una lámpara de tungsteno conectada a una fuente de poder de corriente alterna. La salida del láser es una onda continua.

4. Láseres de semiconductor. Estos láseres se fabrican con semiconductores de unión p-n y se suelen llamar diodos de laser de inyección (ILD, de injection laser diode). El mecanismo de excitación es un suministro de corriente directa que controla la cantidad de corriente al medio activo. La luz de salida de un ILD se modula con facilidad, y eso lo hace muy útil en muchas aplicaciones de comunicaciones electrónicas.


Características de los láseres

Todas las clases de laser tienen varias características comunes: 1) todos usan un material activo que convierte la energía en luz láser, 2) una fuente de bombeo que proporciona la potencia o energía, 3) el sistema óptico para dirigir el haz que se va a amplificar a través del material, 4) el sistema óptico para dirigir el haz en forma de un cono de divergencia angosto y potente, 5) un mecanismo de retroalimentación para obtener funcionamiento continuo, y 6) un acoplador de salida, para transmitir la potencia que sale del láser.

La radiación de un láser es extremadamente intensa y direccionada. Cuando se enfoca en forma de un haz capilar muy fino, puede concentrar su potencia. Si se permitiera divergir al haz de luz, perdería la mayor parte de su potencia.

Conclusiones

Lo que se puede observar en el estudio de las fuentes ópticas, es que son instrumentos, equipamiento o componentes electrónicos, de muy alto costo en su fabricación.

En nuestro medio sería complicado empezar una industria de este nivel, primero por el costo que implicaría y además por la falta de información científica que ameritaría.

Analizando este tema se puede decir que una de las partes más importantes, si es que no es la más importante, vendría a ser la que cumplen las fuentes ópticas. Ya que sin estas ni se podría empezar una comunicación.

Bibliografía

Sistemas de Comunicaciones Electrónicas 4ta Edición – Wayne Tomasi

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