EMISOR OPTICO

CONCEPTO.- Un LED (de la sigla inglesa LED: Light-Emitting Diode: ‘diodo emisor de luz’) es un diodo semiconductor que emite luz. Se usan como indicadores en muchos dispositivos, y cada vez con mucha más frecuencia, en iluminación. Presentado como un componente electrónico en 1962, los primeros led´s emitían luz roja de baja intensidad, pero los dispositivos actuales emiten luz de alto brillo en el espectro infrarrojo, visible y ultravioleta.

Cuando un led se encuentra en polarización directa, los electrones pueden recombinarse con los huecos en el dispositivo, liberando energía en forma de fotones. Este efecto es llamado electroluminiscencia y el color de la luz (correspondiente a la energía del fotón) se determina a partir de la banda de energía del semiconductor.

Por lo general, el área de un Led es muy pequeña (menor a 1 mm), y se pueden usar componentes ópticos integrados para formar su patrón de radiación. Los led´s presentan muchas ventajas sobre las fuentes de luz incandescente como un consumo de energía mucho menor, mayor tiempo de vida, tamaño más pequeño, gran durabilidad y fiabilidad.

Los led´s que pueden iluminar un cuarto son relativamente costosos y requieren una corriente más precisa y una protección térmica a comparación de las lámparas fluorescentes. Los led´s se usan en aplicaciones tan diversas como iluminación de aviación, Iluminación automotriz (específicamente las luces de posición trasera, direccional e indicadores) así como en las señales de tráfico.

El tamaño compacto, la posibilidad de encenderse rápido, y la gran fiabilidad de los led´s han permitido el desarrollo de nuevas pantallas de texto y vídeo, mientras que sus altas frecuencias de operación son también útiles en tecnologías avanzadas de comunicaciones. Los led´s infrarrojo también se usan en unidades de control remoto de muchos productos comerciales incluyendo televisores, reproductores de DVD, entre otras aplicaciones domésticas.

A ÁnodoB Cátodo1 Lente/encapsulado

epóxico2 Contacto metálico3 Cavidad reflectora4 Terminación del

semiconductor567 Armazón de plomo8 Borde plano

CARACTERISTICAS.- La diferencia de potencial Vd varía de acuerdo a las especificaciones relacionadas con el color y la potencia soportada. En términos generales, pueden considerarse de forma aproximada los siguientes valores de diferencia de potencial:

o Rojo = 1,8 a 2,2 voltios.o Anaranjado = 2,1 a 2,2 voltios.o Amarillo = 2,1 a 2,4 voltios.o Verde = 2 a 3,5 voltios.o Azul = 3,5 a 3,8 voltios.o Blanco = 3,6 voltios.

Luego mediante la ley de Ohm, puede calcularse la resistencia R adecuada para la tensión de la fuente Vfuente

que utilicemos.

R=V fuente−(V d 1+V d2+⋯)

I

El término I, en la fórmula, se refiere al valor de corriente para la intensidad luminosa que necesitamos. Lo común es de 10 mA para led´s de baja luminosidad y 20 mA

para led´s de alta luminosidad; un valor superior puede inhabilitar el led o reducir de manera considerable su tiempo de vida.

Otros led´s de una mayor capacidad de corriente conocidos como led´s de potencia (1 W, 3 W, 5 W, etc.), pueden ser usados a 150 mA, 350 mA, 750 mA o incluso a 1000 mA dependiendo de las características opto-eléctricas dadas por el fabricante.

Cabe recordar que también pueden conectarse varios en serie, sumándose las diferencias de potencial en cada uno. También se pueden hacer configuraciones en paralelo, aunque este tipo de configuraciones no son muy recomendadas para diseños de circuitos con led´s eficientes.

Compuestos empleados en la construcción de led´s

Compuesto Color Long. De onda

Arseniuro de galio (GaAs)

Infrarrojo 940 nm

Arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs)

Rojo e infrarrojo 890 nm

Arseniuro fosfuro de galio (GaAsP)

Rojo, anaranjado y amarillo

630 nm

Fosfuro de galio (GaP) Verde 555 nm

Nitruro de galio (GaN) Verde 525 nm

Seleniuro de zinc (ZnSe)

Azul

Nitruro de galio e i n d i o (InGaN)

Azul 450 nm

Carburo de silicio (SiC)

Azul 480 nm

Diamante (C) Ultravioleta

Silicio (Si) En desarrollo

VENTAJAS.- Las principales ventajas de este emisor son el bajo costo del elemento en sí y el no requerimiento de circuitos estabilizantes. Es un elemento robusto y de fácil mantenimiento.

Sus desventajas son el bajo rendimiento (potencia óptica generada/potencia eléctrica ingresada) y la distribución espectral muy amplia (orden de 50 a 100 nm), que produce la emisión de diferentes longitudes de onda, aumenta la dispersión cromática y considera la emisión multimodal, disminuye el ancho de banda del medio de transmisión.

Debido a que la emisión espacial de luz omnidireccional introduce pérdidas importantes y baja el rendimiento, no suele utilizarse con fibras monomodo ni donde se requiera un ancho de banda extenso. Conviene elegir emisores LED cuando los enlaces son de baja velocidad de transmisión y las distancias a comunicar son cortas.

El LED utiliza la superficie del semiconductor para lograr emisiones en primera y segunda ventana. Por ello, utilizando fibras MM graded index de 50/125 um pueden lograrse potencias del orden de microWatt, y ancho espectral de 20-50 nm. Esta solución económica permite, combinando con receptores PIN, cubrir enlaces cortos con velocidades de hasta 8 Mbps. Para cubrir enlaces más largos pueden utilizarse receptores más sensibles, tipo PIN-FET. Existe la posibilidad de disponer de LED emisores de borde para trabajar en segunda ventana con anchos espectrales menores (del orden de 70 nm) y mayor potencia de inyección (100 uW en fibras MM graded index), con lo cual pueden incrementarse las distancias a enlazar y la velocidad. Sin embargo, en estas condiciones resulta más conveniente la utilización de emisores láser.

CONCEPTO LA LUZ.- La luz se puede definir como radiación electromagnética, una forma de energía radiante. Hay varios tipos de ondas electromagnéticas, incluyendo los rayos ultravioleta, rayos infrarrojos, ondas de radio y rayos-X.

Sólo percibimos una pequeña parte del espectro, la que llamamos luz visible.

Cada tipo de radiación tiene su longitud de onda característica. La longitud de onda quiere decir la distancia, en la dirección de propagación de una onda electromagnética periódica, entre dos puntos consecutivos con la misma fase en un instante de tiempo. El símbolo que la designa usualmente es. La longitud de onda se expresa en metros. Las divisiones decimales del metro más utilizadas son:

o el micrómetro 1 μm = 10-6 mo el nanómetro 1 nm = 10-9 m

Aquí consideramos el nanómetro como unidad de medida, que por tanto corresponde a una milmillonésima de metro. La figura muestra la región de luz visible y las tres regiones en que la energía de ultravioleta, luz azul e infrarrojos pueden causar daño al ojo humano. La radiación ultravioleta es la banda de radiación óptica que presenta las longitudes de onda más cortas.

Está dividida en varias partes:

UV cercano UV-A315nm - 380nm

UV medioUV-B280nm - 315nm

UV lejanoFUV200nm - 280nmFUV + VUV = UVC

UV en el vacíoVUV100nm - 200nmFUV + VUV = UV-C

La banda de radiación óptica visible por el ojo humano es el intervalo de longitudes de onda comprendidas entre 380nm y 780nm. La radiación de la parte perjudicial de la luz azul se encuentra en la banda espectral visible. Su intervalo de longitudes de onda está comprendido entre 400nm y 480nm.

La radiación infrarroja es la radiación óptica cuyas longitudes de onda son superiores a las de la radiación visible. Para la radiación infrarroja, la banda entre 780nm y 1mm, se divide generalmente en:

IR cercanoIR-A

780nm - 1.400nm

IR medioIR-B

1.400nm - 3.000nm

IR lejanoIR-C

3000nm - 1mm

CONCEPTO.- El láser se basa en un medio activo líquido, sólido o gaseoso, que emite luz cuando es excitado por una fuente de energía. Esta fuente de excitación puede ser una reacción química, eléctrica u óptica, incluyendo el bombeo por otro láser.

El interior del láser consiste en un tubo de vidrio lleno de gas excitado por una corriente eléctrica que lo atraviesa. El tubo de gas tiene un espejo en cada extremo.

CARACTERISTICAS.- Se tiene las siguientes:

1. La corriente eléctrica excita los átomos del gas que pasan a emitir fotones, energía luminosa.

2. Algunos de los fotones emitidos chocan con otros átomos excitados que como respuesta emiten fotones idénticos. (Emisión estimulada de radiación.)

3. Cuando un fotón choca con un átomo excitado produce otro fotón idéntico, ambos fotones pueden a su vez chocar con otros átomos excitados y volver a producir más fotones que a su vez chocarán con otros átomos, y así sucesivamente. (Amplificación)

4. Parte de los fotones chocan con los espejos y se reflejan hacia el interior del gas, donde continúan la amplificación y la emisión estimulada.

5. El espejo situado en el extremo donde se emite el haz de láser es semirreflectante para así dejar pasar parte de la luz; siempre que refleje hacia el interior un número de fotones suficientes para mantener la amplificación.

6. Sólo los fotones que se mueven paralelamente al eje del tubo chocan con los espejos y se amplifican produciendo así un haz de luz láser monocromática y coherente.

Un láser es un equipo que produce un haz extremadamente intenso. La radiación óptica de un láser es generalmente unidireccional, monocromática y coherente.

- Unidireccional significa que la energía o potencia de la radiación alcanza un objetivo a la vez con muy poca o sin ninguna divergencia, sobre largas distancias.

- Luz monocromática quiere decir radiación en el espectro que sólo contiene un pequeño rango de longitudes de onda. También puede estar caracterizada por una única longitud de onda. Las líneas espectrales de una radiación lineal en una banda estrecha pueden ser consideradas monocromáticas.

- Coherente es cuando las radiaciones emitidas mantienen una diferencia de fase constante.

Si comparamos el efecto de un láser visible de 100 W con una bombilla de 100 W observamos que en el caso del láser, los 100 W son emitidos en fase en un único haz que puede alcanzar un lugar determinado a larga distancia, mientras que con la bombilla, los 100 W son emitidos desfasados y en todas las direcciones, por lo que sólo una pequeña fracción de la potencia alcanza un punto específico. Esa pequeña fracción contiene luz de todo el espectro visible, mientras que el láser suele tener una única longitud de onda. El láser de 100 W focalizado es capaz de cortar materiales como plásticos y cuero.

La radiación monocromática altamente coherente emitida por un láser puede, mediante sistemas ópticos adecuados, colimarse para formar un haz dirigido muy estrecho, o bien concentrarse sobre una región muy pequeña, acumulando sobre la misma una energía muy elevada. En estas propiedades se basa la utilización de láseres pulsantes para cortar, fundir o vaporizar pequeños volúmenes de cualquier material; la fácil dirigibilidad del láser permite una gran precisión en estas operaciones, lo que unido a la ventaja de poder operar sin necesidad de vacío, le confiere un papel relevante en el campo metalúrgico.

Resumiendo, los láseres pueden ser desde muy baja a muy alta potencia dependiendo de la aplicación y pueden emitir

radiación desde la región ultravioleta hasta la región de infrarrojos lejanos. La energía de estas radiaciones puede causar lesiones oculares y cutáneas. Los láseres suelen recibir el nombre del medio activo utilizado para generar la emisión, como argón, rubí y helio-neón.

El nombre suele ser abreviado conforme al símbolo químico, como He-Ne en vez de helioneón. El color de un haz de láser depende de las características del medio emisor. Por ejemplo el haz de argón es verde azulado y el haz de rubí es rojo.

Esquema general de un láser:

Diferentes estructuras del láser

Ejemplos de diferentes estructuras láser para el confinamiento de la luz láser a una región especifica

Tipos de láser según la longitud de onda

TIPO DE LASER LONGITUD DE ONDA [uM]

Cianuro de Hidrógeno (HCN) 773 Infrarrojo

Vapor de agua (H2O) 118,6 Infrarrojo

Dióxido de Carbono (CO2) 10,6 Infrarrojo

Fluoruro de Hidrógeno (HF) 3,1 Infrarrojo

Granate de Ytrio y Aluminio (Nd:YAG) 1,064 Infrarrojo

Cristal (Nd:Cristal) 1,06 Infrarrojo

Arseniuro de Galio (GaAs) 0,91 Infrarrojo

Kripton (K) 0,7525 Visible

Rubí (Al2O3) 0,6943 Visible

Helio-Neon (HeNe) 0,6328 Visible

Rodamio (6G) 0,59 Visible

Argón (Ar) 0,5145 / 0,4880 Visible

Helio-Cadmio (HeCd) 0,4416 Visible

Xenón Molecular (Xe2) 0,17 Ultravioleta

Hidrógeno (H2) 0,16 Ultravioleta

VENTAJAS.- Es un emisor esencialmente de borde que permite disponer de una alta potencia luminosa (1-5 mW), con una distribución espectral muy angosta (del orden de 1 nm), con lo cual la dispersión cromática en la fibra es baja.

La posibilidad de disponer de un haz más angosto para inyectar luz a la fibra lo hace óptimo para su uso con fibras monomodo, aunque también es posible utilizarlo con fibras MM.

Sus características no lineales obligan a utilizarlo con circuitos de estabilización que compensan las variaciones de temperatura y el envejecimiento.

Para la transmisión en alta velocidad (del orden de 140Mbps) es necesario utilizar el sistema de realimentación incorporado. Este permite que el Láser funcione siempre en la zona de operación estimulada y que se disponga de una salida sin retardos y con una única longitud de onda, lo que implica una baja tasa de error.

La vida útil del Láser se encuentra en el orden de 105 horas, con la ventaja de que su envejecimiento se produce gradualmente y permite el reemplazo del módulo con suficiente anticipación. Una vida útil elevada requiere que la fuente se utilice con una adecuada relación corriente/temperatura.

Los siguientes son diseños típicos del sistema:

Tipo de emisor Fibra utilizada

Nivel de emisión

Longitud de onda

(um) (dBm) (nm)

LED MM 50/125 -20 850/1300

LASER MM 50/125 0 850/1300

LASER SM 9/125 -3 1300/1500

Es importante destacar que los terminales de línea ópticos (TLFO) se suministran dispuestos para operar en una determinada longitud de onda pero con la posibilidad de utilizar diferentes potencias de emisión para diferentes tipos de fibras.

COMPARACIÓN.- Las fuentes capaces de generar energía óptica disponible en el mercado son Láser, LED y focos convencionales. Para el caso que nos ocupa, a saber, la transmisión de energía óptica por la atmósfera y su posterior conversión a eléctrica, el Láser que es capaz de generar potencias en el orden de los megavatios sería un elemento imprescindible, pero depende de la aplicación. La utilización del Láser en aplicaciones móviles donde emisor, receptor o ambos estén en movimiento, presenta una desventaja importante y es que para el total aprovechamiento de la energía, el Láser debe presentar un perfecto alineamiento con el receptor debido a la concentración de su energía en un haz muy estrecho, prácticamente puntual, por lo que la utilización del Láser se restringe únicamente a aplicaciones fijas, es decir, cuando emisor y receptor puedan presentar una perfecta alineación.

En el caso del LED y el foco convencional, los ángulos de divergencia que presentan permiten abarcar zonas más amplias, por lo que se aconseja su utilización para aplicaciones móviles. Además, el precio de un Láser en el mercado continúa siendo mucho mayor que el del foco y el del LED.

Esta es una razón para no contar con el Láser en un sistema móvil de teletransmisión de energía. Limitando un poco más las opciones existentes, el LED (diodo electroluminiscente) no es capaz de generar potencias ópticas elevadas. Su utilización en comunicaciones ópticas para transmisión de datos le permite al LED irradiar potencias de unos 100 mw que a distancias superiores de 10 metros quedan reducidas a unos pocos microvatios, por lo que no se aconseja su utilización para transmitir energía por medios no guiados.

Estas limitantes nos dejan la opción de utilizar focos convencionales para transmisión de energía por la atmósfera debido a dos factores importantes: la capacidad de generar potencias relativamente altas y la divergencia considerable

que presentan. Ello los hace utilizables en aplicaciones móviles. En un sistema de transmisión óptica, la elección de la longitud de onda de trabajo es un parámetro fundamental que condiciona muchas de las características eléctricas y ópticas del sistema. Por un lado, nos sitúa en una zona del espectro óptico con una transmisión determinada y, por otro lado, se encuentra asociada a la energía de la banda prohibida de un determinado material semiconductor, que sería capaz de detectar dicha energía.

Diferencias entre Led y el Diodo Láser

LED LÁSER LED

• Más rápido• Potencia de salida mayor• Emisión coherente de luz

• Construcción es

más compleja

• Actúan como fuentes

adecuadas en sistemas de

telecomunicaciones

• Modulación a altas

velocidades, hasta

GHz

• Mayor estabilidad térmica• Menor potencia de salida• Mayor tiempo de vida• Emisión incoherente• Mas económico

• Se acoplan a fibras

ópticas en distancias

cortas de transmisión

• Velocidad de

modulación hasta

200MHz

• Luz emitida en forma unidireccional

• Luz emitida en múltiples direcciones

• Los fotones emitidos por • Existen fotones con

un láser poseen longitudes de onda muy cercanas entre sí (Monocromática).

mayores dispersiones en cuanto a las longitudes de onda

APLICACIÓN.- Existen láseres muy diversos dependiendo de la aplicación para la cual están diseñados. Hay láseres desde muy baja potencia para leer códigos de barras en supermercados, los utilizados en los lectores de Compact Disc, CD-ROM para ordenadores, punteros láser para la presentación de transparencias o diapositivas durante conferencias, hasta láseres de muy alta potencia para cortar acero, taladrar cerámica y soldar carrocerías. Para cada trabajo hay un láser, la potencia y la longitud de onda deben ser las adecuadas para el trabajo a realizar.

El CD-ROM

o El diodo láser produce un rayo, que tras rebotar por las lentes, rebota en el espejo y atraviesa el cabezal hasta el CD ROM.

o El cabezal se mueve a lo largo del radio del CD ROM mientras este gira a gran velocidad.

o Si, al chocar el disco, el rayo se dispersa entonces no se recibe lectura (superficie quemada, 1). Si rebota se dirige por el cabezal hacia los espejos.

o En su retorno, es desviado hacia el foto diodo que traduce la luz reflejada al codigo binario. Luz (0), no luz (1).

Impresora Láser

o El papel se introduce cubierto de pequeñas partículas con carga eléctrica.

o El procesador ordena encender o apagar el rayo láser que impacta sobre el papel tras rebotar en un prisma. El rayo cargado elimina la carga en las zonas de imagen.

o Se rocía el papel con tóner que también está cargado. Se adhiere solo a las zonas donde no hay carga (imágenes). Las zonas blancas al tener carga lo repelen.

o El papel pasa a la zona de fusionado donde el tóner se pega definitivamente mediante presión y calor.

Soldadura Láser

o Necesitan un punto láser con una precisión geométrica (redonda) de intensidad constante. Para dirigir una energía aproximada de 30W a un punto de 0.8mm de diámetro, la luz de varios diodos debe de ser enfocada a un punto y esto solo es posible usando un juego de lentes.

o El estaño entra en el área del láser. La radiación directa sobre el hilo hace que se caliente cerca de su punto de fusión, no más. No obstante la tensión superficial causa una "Gota de Estaño" a la punta del hilo. Si el Haz de luz sale de área de soldadura, quemara la placa.

o El Hilo de estaño, que está cerca del punto de fusión, toca el punto de soldadura y se funde entre la pista y el terminal ya pre-calentados.

o El estaño esta todavía fundido. Necesita un tiempo para adquirir las propiedades físicas de una soldadura (concavidad).

LA CIRUGIA LASER: USOS OFTALMOLOGICOS Y OTRAS APLICACIONES

o Quitar tumores (especialmente de cerebro o hígado) produciendo al mínimo daño al tejido circundante, cauterizando automáticamente los vasos y produciendo una cicatriz pequeña.

o Sellar o cauterizar vasos sanguíneos de pequeño a mediano calibre (diámetro) con el objetivo de minimizar las hemorragias intraoperatorias evitando la pérdida de sangre vital muy útil para las cirugías plásticas y generales.

o Cauterizar también los vasos linfáticos, de esta forma se reduce el edema al no permitir la extravasación de líquido intercelular y también evitaría la diseminación de células cancerígenas o tumorales.

o Actúa sobre las terminaciones nerviosas y de esta forma se reduciría el dolor

o postoperatorio ya que no se dañan en forma directa los sensoreceptores.

o Uso cosmético en cirugía estética o plástica para mejorar las características de la piel mediante la realización de procedimientos de lifting. La aplicación del rayo laser sobre la piel estimula la producción de fibras colágenos reduciendo la formación de arrugas cutáneas.

Tecnología militar

o Los sistemas de guiado por láser para misiles, aviones y satélites son muy comunes. La capacidad de los láseres de colorante sintonizables para excitar de forma

o selectiva un átomo o molécula puede llevar a métodos más eficientes para la separación de isótopos en la fabricación de armas nucleares.

o Otro uso muy común es en las miras de las armas.

RECEPTOR OPTICO.- El fotodector, un componente crítico en cualquier sistema de comunicaciones por fibra óptica, ha sido menospreciado, algunas veces, en la reciente tendencia de concentrarse en las mejoras de los transmisores laser y en las mismas fibras ópticas. Simplemente con cambiar de un tipo de fotodetector a otro se puede incrementar la capacidad de un sistema óptico en un orden de magnitud sin tocar ningún otro componente. Aunque existen varios tipos de fotodetectores, usualmente sólo se consideran tres para la detección directa de señales digitales en comunicaciones ópticas: el fotoconductor, el diodo PIN y el fotodiodo de avalancha (APD).

La mayor parte de los sistemas instalados en el mundo utilizan fotodiodos PIN, muchos de ellos son de silicio y se usan en sistemas de longitudes de onda corta (800nm y 900nm) para comunicaciones a corta distancia. Al fin y al cabo los diodos PIN, con su gran ancho de banda y bajo ruido, son la promesa futura para conseguir una generación de detectores ópticos completamente integrados.

Básicamente, el detector es un dispositivo que convierte fotones en electrones, un receptor se compone de un detector y de los circuitos necesarios asociados que lo capaciten para funcionar en un sistema de comunicaciones ópticas, transformando señales de frecuencias ópticas a frecuencias inferiores, con la mínima adición de ruido indeseable y con un ancho de banda suficiente para no distorsionar la información contenida en la señal (analógica o digital).

Diodo PIN.- El fotodiodo PIN es el detector más importante utilizado en los sistemas de comunicación óptica. Es relativamente fácil de fabricar, altamente fiable, tiene bajo ruido y es compatible con circuitos amplificadores de baja tensión. Además, es sensible a un gran ancho de banda debido a que no tiene mecanismo de ganancia. Unas zonas p y n altamente conductivas junto a otra intrínseca poco conductiva, caracterizan al diodo PIN.

Los fotones entran a la zona intrínseca generando pares electrón−hueco. El diodo se polariza inversamente con el fin de que las cargas generadas en la zona intrínseca sean aceleradas por el campo eléctrico presente. Una típica estructura p−i−n plana tiene, como material absorbente de luz, a un compuesto de In Ga As. La región de absorción es fina, siendo, generalmente, un material tipo n sobre un sustrato tipo n de indio fosforoso.

La superficie superior está recubierta de un fino aislante, o capa pasiva, para proteger la superficie y reducir la recombinación de electrones y huecos en dicha superficie. Cuando un fotón entra en la zona de deplexión, es absorbido y

genera un par electrón−hueco, los cuales son dirigidos hacia los electrodos opuestos. Allí se recogen y aparecen como corriente en el circuito exterior. Puesto el par de portadores es separado en mucho menos tiempo que el tomado para su recombinación, el proceso de detección es rápido y eficiente.

Debido a que no existe mecanismo de ganancia en un fotodiodo p−i−n, la máxima eficiencia del detector es la unidad y producto ganancia x ancho de banda coincide con esta última. El ancho de banda de un diodo p−i−n está limitado por el tiempo tomado en colector las cargas. Este tiempo es inversamente proporcional al ancho de la zona de deplexión y directamente proporcional a la velocidad de los portadores de cargas en la región de alto campo eléctrico. La principal fuente de ruido en un fotodiodo p−i−n es el ruido de granalla (shot noise), producido en la zona de deplexión de la unión p−n inversamente polarizada, generado por el proceso estadístico de los electrones atravesando la unión p−n.

Fotodiodo de avalancha (APD).- Los APD son similares a los diodos PIN en cuanto a que trabajan polarizados en inversa, en ausencia de grandes corrientes de oscuridad. A diferencia de los diodos PIN los APD operan a tensiones inversas lo suficientemente elevadas como para que cuando los portadores sean en el campo eléctrico, colisiones con otros átomos que componen la estructura cristalina del semiconductor. Las colisiones ionizan los átomos, produciéndose nuevos pares electrón−hueco. Esta ionización por impacto nos determina la ganancia interna del dispositivo o ganancia de avalancha.

Proceso de avalancha.- Con polarización directa (es decir, la región p positiva y la región n negativa), el diodo está preparado para conducir corriente limitada por la resistencia del dispositivo. En polarización inversa, la unión p−n forma una barrera y sólo la puede atravesar una corriente muy pequeña, normalmente causada por generación térmica (ya que los átomos de la red cristalina están en constante vibración) y por la separación debida al campo eléctrico que existe en la región de deplexión. Esta corriente se denomina corriente de oscuridad, puesto que existe incluso en ausencia de luz incidente: está presente en todos los diodos en mayor o menor grado y suele ser característica del material usado en la construcción del diodo.

Esquema de los detectores PIN y APD para señales ópticas

Si la polarización es negativa se aumenta la corriente de oscuridad también crece gradualmente por ensancharse la región de deplexión y exponer así una parte mayor del volumen del diodo a la capacitación de portadores generados térmicamente. Con polarización inversa suficientemente grande, el campo eléctrico en la zona p−n puede hacerse tan intenso que acelere los pares electrón−hueco generadas térmicamente, con energía suficiente como para crear más de estos pares por colisiones con los átomos de la estructura. Estos pares, ionizados por impacto, son a su vez acelerados, junto con los portadores de carga fotogenerados primariamente, para colisionar con más átomos de la red y producir nuevos portadores de carga. De esta manera se puede amplificar la corriente primaria, aumentando su ganancia con la polarización. Finalmente, se alcanza un voltaje para el cual la ganancia de multiplicación de la corriente de oscuridad se aproxima a infinito. A este valor se lo denomina.

Tensión de ruptura del diodo.- Cuando se ilumina el diodo, se producen muchos más pares electrón−hueco, generándose en él una fotocorriente. A una polarización suficientemente baja

(alrededor del 10% de la tensión de ruptura) se puede suponer que no hay ganancia de avalancha de la fotocorriente. Es decir, la fotocorriente es la corriente total generada en el diodo menos la corriente de oscuridad correspondiente a esa tensión. Para un voltaje mayor (90% de la tensión de ruptura), se produce una ganancia finita, tanto de la fotocorriente como de la corriente de oscuridad.

La ganancia neta es entonces la fotocorriente a esa tensión dividida por la fotocorriente sin amplificar. La máxima ganancia se alcanza justo antes de la tensión de ruptura; sin embargo, el factor de ruido es también máximo en este punto. La ganancia óptima cuando se emplea un APD, en un receptor óptico corresponde a un valor inferior al máximo, en el cual el ruido después de la multiplicación coincide con el ruido del amplificador.

El factor de multiplicación depende fuertemente del voltaje inverso aplicado y de la temperatura, lo que hace dificultoso alcanzar una ganancia estable. Un compromiso típico entre ganancia y estabilidad es un valor del factor de multiplicación entre 50 y 150. La corriente de oscuridad también es muy sensible a la temperatura. En los diodos de Silicio, la corriente se dobla cada 8° C, en los de Germanio cada 9° C a 10° C. A 25° C la corriente de oscuridad típica de un APD de silicio con 0,1nm de diámetro de área activa es de 1nA a 10nA, para un valor de factor de multiplicación de 100.

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS

FACULTAD TÉCNICA

CARRERA Electrónica Y Telecomunicaciones

TEMA:

DOCENTE : Ing. Raúl Yujra

ALUMNO : UNIV. Oscar Flores Ramírez

C.I. : 6172366 L.P.

FECHA : 23 de Mayo de 2011

LA PAZ – BOLIVIA

2011