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ESTRUCTURAS DE LOS LEDS

Como sabemos, un LED es un dispositivo de semiconductor, formado por una unión

pn polarizada en directo, que genera luz por emisión espontánea al recombinarse los

electrones y huecos inyectados en la zona de deplexión. Los LEDS son especialmente

adecuados para comunicaciones de corta distancia en primera ventana, velocidades no

superiores a los 100-200Mb/s y en trabajando con fibras multimodo. Desde hace

relativamente poco tiempo, existe un creciente interés en su empleo para

comunicaciones a altas velocidades (1Gb/s) junto con fibras monomodo en segunda

ventana, con vistas a una posible aplicación en el bucle de abonado. A continuación, se

resumen las características más sobresalientes de los LEDS.

Características típicas

Las principales ventajas de los LEDS son:

1) Poseen altos valores de eficiencia cuántica interna (50-80%).

2) Su geometría y patrón de radiación son aptos para el acoplo de luz a la fibra

óptica, especialmente en los LEDS de emisión lateral.

3) Son de fácil fabricación ya que a diferencia de los láseres no llevan

incorporados espejos.

4) Se modulan fácilmente hasta velocidades de 100-200Mb/s, si bien es posible

llegar en algunos casos hasta velocidades de 1-2Gb/s.

5) Su coste es bajo, sobre todo en comparación con los láseres de semiconductor,

ya que su estructura es más sencilla.

6) Son dispositivos fiables, ya que no sufren la degradación de tipo catastrófico y

son menos sensibles que los láseres de semiconductor a la degradación por

envejecimiento.

7) Su circuitería de alimentación control es muy sencilla, debido a los bajos

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niveles de corriente que son necesarios para que funcione el dispositivo, y a su

relativa inmunidad frente a variaciones de la temperatura, al no ser un

dispositivo basado en una corriente umbral como el láser de semiconductor.

8) Su característica potencia óptica de salida en función de la corriente eléctrica

de entrada es, a diferencia de la del láser de inyección, bastante lineal, lo que

les hace adecuados para la transmisión de señales analógicas.

El principal inconveniente del LED, como hemos visto, consiste en el escaso

porcentaje de potencia óptica generada en su interior para acoplarla a las fibras

monomodo. Por ello, el LED se emplea casi en exclusiva en enlaces de fibras

multimodo y en primera ventana a corta distancia y velocidades moderadas

(50.200Mb/s) limitados por la dispersión intermodal. A esto se añade que la anchura

espectral es muy superior a la de los láseres de semiconductor (30-40nm para los LEDS

de AsGa o AlAsGa en primera ventana) por lo que en caso de poder emplearse junto

con fibras monomodo pueden generar una dispersión cromática muy alta. Una

excepción al caso anterior la constituye el LEDs de InGaAsP para comunicaciones en

segunda ventana y con fibras monomodo. En este caso, y al la dispersión cromática

mínima, la limitación en longitud en este tipo de enlaces por dispersión cromática a

velocidades moderadas(50-200Mb/s) es inferior a la debida a la dispersión intermodal

en primera ventana, pudiéndose en consecuencia aumentar la distancia empleando una

fuente de bajo coste y velocidades de transmisión moderadas. Esta configuración es de

gran interés con vistas a la introducción de la fibra en el bucle de abonado, ya que evita

la necesidad de proporcionar un láser de semiconductor.

Estructuras

Las configuraciones posibles a la hora de implementar un LED son diversas y,

aunque en esencia el LED es una unión pn polarizada en directa, es posible mejorar sus

características mediante el empleo de heteroestructuras como ya vimos. En general, en

comunicaciones se emplean tres tipos de estructuras:

1.- LED de emisión superficial.

2.- LED de emisión lateral.

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3.- LED superluminiscente.

Los LEDS de emisión superficial se caracterizan porque la emisión de luz es

perpendicular al plano de la unión pn. La región activa suele tener forma circular (para

adaptarse a la geometría de la fibra multimodo) de unas 50mm de diámetro y unas

2,5mm de anchura. La figura 1 muestra la configuración de un LED de emisión

superficial tipo Burrus, que incluye un trozo de fibra convenientemente enfrentada a la

zona activa para optimizar el acoplo de potencia. La fibra está unida de forma

permanente al LED mediante una resina Epoxy.

Figura 1

El diagrama de radiación de este tipo de LED es isótropo con una anchura de

haz de 3dB a 120° en ambos planos perpendiculares al de la unión pn. En consecuencia,

puede, una fuente de tipo Lambertiano de manera que la potencia acoplada a una fibra

óptica de apertura numérica, AN, es proporcional a AN2.

En el LED de emisión lateral la luz generada en la zona activa se emite en el

plano de la unión pn. La capas que rodean a dicha zona están formadas por materiales

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de índice de refracción inferior, por lo que la zona activa se comporta como una guia de

onda plana dieléctrica encaminando la radiación generada en su interior hacia las

superficies laterales del dispotivo, donde sale al exterior para inyectarse en una fibra

óptica. La estructura básica de un LED de emisión lateral se muestra en la figura 2 y es

en esencia muy similar a la de un láser de inyección.

Figura 2

La longitud de la zona activa típica está comprendida entre 100 y 150�m,

mientras que la anchura de la zona activa no es la de todo el dispositivo (unos 300-

400mm) sino que viene controlada a través de una cinta metálica en la superficie por

donde se inyecta la corriente al dispositivo y que posee unas dimensiones de 50-70mm.

Por el hecho de existir una guía plana de ondas en el plano perpendicular al de la unión

pn, el patrón de radiación no es isótropo, sino que la anchura a 3dB es de unos 30° en

dicho plano, siendo 120° en el plano paralelo al de la unión. LED de emisión lateral

proporciona menos potencia al exterior (unas 2 ó 3 veces menos) que el de superficie,

ya que presenta problemas de reabsorción de la radiación generada así como de

recombinación superficial. Sin embargo, el LED de emisión lateral acopla más potencia

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óptica a fibras de apertura numérica baja (AN<0,3) que el de emisión superficial debido

a la mayor direccionalidad de su patrón de radiación. Además, la configuración del

electrodo superior en forma de cinta metálica reduce la superficie de inyección de

corriente al dispositivo, con lo que puede conseguirse aumentar la densidad de corriente

superficial inyecyada al LED manteniendo la corriente. Los LED de emisión lateral son

capaces de inyectar potencias ópticas cercanas al miliwatio en fibras multimodo con

corrientes de polarización de 0,5A, además de ser capaces de soportar velocidades de

modulación superiores a los LEDS de emisión superficial a igualdad de corriente de

polarización (hasta varios cientos de MHz). Recientemente, tal y como se comentó, se

ha comenzado a considerar la aplicación de LEDS a sistemas monomodo de segunda

ventana para su aplicación al bucle de abonado. En la figura 3 se muestra un LED de

emisión lateral de InGaAsP donde la superficie de emisión posterior está cortada de

forma inclinada para prevenir la realimentación de señal a la zona activa y su

comportamiento como láser. Un dispositivo de estas características puede modularse a

velocidades entre 600MHz y 1GHz proporcionando una potencia de unos 4-6μW a una

fibra monomodo al aplicarle corrientes de polarización de entre 100-240mA.

Figura 3

El último tipo de LED que vamos a ver es el electroluminiscente. Posse unas

propiedades intermedias entre el LED normal y el láser de inyección. Es similar a un

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láser porque genera luz mediante emisión estimulada, pero similar a un LED porque no

posee realimentación en la zona activa, por tanto se comporta como un oscilador no

coherente. Los LEDS superluminiscentes proporcionan altos valores de potencia óptica

de salida y ancho de banda más reducido que el LED normal. En la figura 4 se muestra

la configuración típica de un LED electroluminiscente (SLD) que, como

comprobaremos, es muy similar a un láser de semiconductor.

Figura 4

La diferencia entre el SLD y el láser de semiconductor estriba en que en una de

las caras de salida del SLD se provocan pérdidas lo suficientemente elevadas como para

que no exista señal reflejada que realimente la cavidad. La señal óptica generada en el

interior del SLD se amplifica debido a la emisión estimulada conforme se propaga a

través de la zona activa y sale al exterior por la otra cara (la señal sólo se propaga una

sola vez antes de salir al exterior) Este tipo de dispositivos es capaz de suministrar, en

segunda ventana, potencias del orden de los miliwatios a una fibra monomodo al

polarizar con corrientes de 150mA. La anchura espectral es de aproximadamente 30nm,

muy estrecha si lo comparamos con los 50-80nm de los LEDS normales.

Lo inconvenientes de los SLDS en relación con los LEDS normales es que son

muchos más complejos en cuanto a su estructura, la relación entre la potencia óptica de

salida y la corriente de alimentación no es lineal y hay mucha dependencia de la

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potencia óptica de salida con la temperatura.