Modulo 1 Emisores Opticos Tipos y Parametros Caracteristicos

Dispositivos y Medios de Transmisin ptica

Emisores pticos: Tipos y parmetros

Autor: Jose Manuel Snchez PenaRevisado: Carmen Vzquez Garca

Colaborador: Pedro Contreras

Grupo de Displays y Aplicaciones Fotnicas (GDAF)Dpto. de Tecnologa Electrnica

Universidad CARLOS III de Madrid

Emisores pticos: Tipos y parmetroscaractersticos

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11. Introduccin . Introduccin Estructura general sistema de comunicacionesEstructura general sistema de comunicaciones

Fuente de informacinFuente de informacin Transmisor Medio Receptor Destino

GDAF: 2011-2012 2

Fuente deperturbaciones

Comn todo sistema comunicaciones. Diferencia: BANDA FRECUENCIASemplea transmisin. Necesidad de fuentes de

luz en ese rango espectral

La luz (portadora ptica) se modula con la seal a transmitir.

Ejemplo digital:

M1. IntroduccinM1. Introduccin

0"0""1"

>>> PP

dBP

10"1"

DC

AC P1

P0

+

3

dBP

10

"0"

"1"

DC

Necesidad modular la luz emitida por las fuentes pticas para enviar informacin

La fibra ptica transmite esa informacin

Datos

Seal a otro enlace

empalme

conector

Divisor de potencia

Repetidor

Transmisor ptico

pigtail

DriverFuente

ptica

Detector

ptico

M1. Introduccin. M1. Introduccin. Elementos de un enlaceElementos de un enlace

Detectorptico

Procesador de seal

preamplif

DatosAmplif. ptico

enlace

Receptor ptico

electrnica

Trx ptico

Atenuacindispersin

MedioMedioFOFO

11. . IntroduccinIntroduccin

AntecedentesAntecedentes

Medio transmisor: fibra ptica (FO).

19661966, Kao y Hockman sugieren empleo de FO para transmisin a largas distancias, vidrio slice 1000 dB/Km (coaxial 5-10dB/Km).

19701970, Compaa Corning Glass Works:

Emisor: lser

1960,1960, 1er lser funcionamiento, rub material base.

19621962, lser He-Ne 632.8 nm...

19731973, lser semiconductor LD tiempo vida>1000 horas

GDAF: 2011-2012 5

19701970, Compaa Corning Glass Works: Kapron, Keck, Maurer obtienen FO 20 dB/Km @ 1m

19721972, 4dB/Km, 19751975 2dB/Km @ 850n

19761976, 0.5dB/Km @ 1300 nm

19791979 0.2dB/Km @ 1.55m 19851985 DSF bajas prdidas y dispersin

19901990 EDFA, amplificacin

19981998 NZDSF, evitar FWM en WDM

vida>1000 horas

19771977 >7000h, 1 LD @ 1300nm

19791979>100.000h, 1 LD @ 1500nmFP, anchura 2-5nm,AlGaAs/GaAs:0.8-0.9InGaAsP/InP: 1.3 -1.5 m.

Mejoras anchura lnea, ancho banda, rango sintona:

DFB (realimentacin distribuda): 1MHz, 10Gb/s

DBR (reflectores Bragg distribudos): 2-10nm, 500 KHz

ECL (cavidad externa): 100KHz, 60 nm

MQW (mltiples pozos cunticos): 270 KHz, >30 GHz

Mecanismos de Recombinacin Mecanismos de Recombinacin RadiativaRadiativa ee--h en h en uniones puniones p--nn

2. Emisores pticos: 2. Emisores pticos: Luminiscencia de InyeccinLuminiscencia de Inyeccin

BC

BV

BC

BV

BC

BV

Ea

EdEphEph

Eph

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BV

(a) Transicin directa banda BC-banda BV

BV

(b) Transicin de un e desde BC a nivel aceptador Ea

BV

(c) Transicin de un e desde nivel donante Ed a banda BV

Eph=hc/ = Ec-Ev = Eg (eV) para el caso (a) h es la constante de Planck c es la velocidad de la luz la long. de onda de la radiacin emitida

Espectro y Potencia en Espectro y Potencia en LEDsLEDs

La long. de onda emitida , , , , es dada por

= hc/Eph

es el ancho espectral, = - (hc/Eph)Eph,

2. Emisores pticos: 2. Emisores pticos: Luminiscencia de InyeccinLuminiscencia de Inyeccin

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=ancho espectral relativo, puede expresarse como:

= / / / / = Eph/Eph = 2,4 KT/Eph

P= Pot. Radiada (para los casos (b) y (c), es decir cuando la transicin no es BC-BV) se puede expresar como:

P= (Eph-Eg) exp [- (Eph-Eg)/KT] , donde el pico de potencia radiada se produce para una energa de fotn:Eph=Eg+KT

SC banda directa y banda indirectaSC banda directa y banda indirecta

BC

BV

Fotn

E

n

e

r

g

a

E

l

e

c

t

r

n

BC

BV

Fotn

E

n

e

r

g

a

E

l

e

c

t

r

n

Fonn

2. Emisores pticos: 2. Emisores pticos: Seleccin de materiales para LEDSeleccin de materiales para LED

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Momento

Materiales con gap de banda directa: GaAs, GaSb, InAs.

Los sc de banda directa tienen el mismo momento y cuando se produce la recombinacin directa de electrones dan lugar a un fotn.

Los sc de banda indirecta tienen diferente momento y en la recombinacin se producen simultneamente un fotn y un fonn (vibracin).

La probabilidad de transicin es mucho mayor en los de banda directa -> son preferidos para fabricar LEDs.

Momento

Materiales con gap de banda indirecta: Si, Ge, GaP.

TiposTipos

2. Emisores pticos 2. Emisores pticos

LED (Light Emitting Diode):

Emisin Espontnea

9GDAF: 2011-2012

LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation): Emisin Estimulada

Caractersticas bsicas LEDCaractersticas bsicas LED


LED (Light Emitting Diode):Emiten radiacin, en un rango de , en polarizacin directa

Emisin Espontnea

Ej: IF-E97

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Baratos

Potencia ptica emisin: de centenas de Wa pocos mW,

Anchura espectral (cada 3dB) : decenas de nm

Caractersticas bsicas LASERCaractersticas bsicas LASER


LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation): Emisin Estimulada

Potencia ptica emisin: centenas mW- W

Optical power(mW)

LASER

11

Anchura espectral: < pocos nm

Optical power(mW)

Wavelength(nm)

LASER

LED

Forward current (mA)

LED


Diodos Emisores de Luz (LEDs)

LEDs: Estructura similar a la de un lser pero sin elementos de

realimentacin -> luz proviene de emisin espontnea. Basado en una unin p-n polarizada en directa, emite

radiacin ptica en funcin de la corriente elctrica quelo polariza.

Existen varias estructuras posibles: (a) de emisin por

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lo polariza. Existen varias estructuras posibles: (a) de emisin por

superficie; (c) de estructura en cpula; (d) tipo Burrus. El diagrama de radiacin para la estructura tipo (a) es la

representada en (b) que corresponde a una funcinLambertiana.


Diodos Emisores de Luz (LEDs)

La estructura (a) presenta muchas prdidas ya que de la luz generadaen la unin solo una pequea fraccin saldr emitida por la ventanasuperior.

La estructura (b) en cpula es ms eficiente ya que al tener mayorsuperficie de emisin, la luz generada en la unin puede alcanzar elexterior en mayor cantidad. No obstante, resulta ms difcil sufabricacin. Ms apto para adaptar a FO.

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fabricacin. Ms apto para adaptar a FO. La estructura tipo Burrus (tambin denominada de emisin

superficial) es la ms apropiada para servir como emisor de luz ensistemas de comunicaciones pticas. Habitualmente, viene conectadaya a la FO mediante una resina.

Para el caso del LED de emisin superficial, la potencia acoplada a laFO ser

Pburrus=pi (1-r)ARB(NA).

r= Coef. Reflexin Fresnel (conoceis la expresin para incidencia normal?)A= Superficie menor de la FO de emisin del LEDRB= Radiancia de la fuenteNA=Apertura de la FO GDAF: 2011-2012


LEDs de Emisin Lateral (ELEDs)

Presenta un diagrama de radiacin elptico.

Gran eficiencia de acoplo a una FO (> 10 veces que el LEDde superficie).

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Mayores velocidades de modulacin -> aptos paraaplicaciones en redes de rea local (sistemascomunicaciones pticas).

GDAF: 2011-2012


LEDs Superluminiscentes (SLDs)

Caractersticas electro-pticas cercanas a las del lser.

La potencia emitida es mayor que en los LEDs anteriores yla monocromaticidad tambin, aunque sin alcanzar losvalores del diodo lser.

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Requiere altas corrientes hasta alcanzar emisinestimulada, aunque al no haber realimentacin no apareceefecto lser.

GDAF: 2011-2012


Caractersticas de funcionamiento de LEDs

Potencia ptica de salida en funcin de la corriente aplicada escuasi lineal para los diferentes tipos de LEDs

La potencia emitida por el LED de emisin superficial es mayor queel de emisin lateral (por borde).

En el caso de LED ideal sera una recta.

Potencia ptica de salida

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En el caso de LED ideal sera una recta.

fopt KIP =

2. Emisores pticos 2. Emisores pticos Caractersticas de funcionamiento de LEDs

Potencia ptica de salida en funcin de la T vara de forma linealpara los diferentes tipos de LEDs

Potencia ptica de salida con la T

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para los diferentes tipos de LEDs La mayor variacin se observa para el caso de los SLD.

GDAF: 2011-2012

2. Emisores pticos 2. Emisores pticos Caractersticas Espectrales de los LEDs

Debido a los procesos de emisin espontnea y a la ausencia derealimentacin, un LED siempre ser menos monocromtico que unLD.

Valores tpicos de pueden estar entorno a los 20-40 nm en long.de onda centrales de 0,85 nm.

18

Valores tpicos de pueden estar entorno a los 20-40 nm en long.de onda centrales de 0,85 nm.

Si trabajan en segunda y tercera ventana, valores tpicos porencima de 100 nm son usuales (depende tambin del tipo de LED).

Ancho de Banda de Ancho de Banda de LEDsLEDs

2. Emisores pticos2. Emisores pticos

La funcin de transferencia en potencia puede expresarse como:H()=1/(1+j)

El ancho de banda ptico (potencia mitad) se produce para una frecuencia:BWopt= 3[(1/2pipipipi)] (Hz)

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BWopt= 3[(1/2pipipipi)] (Hz)

Valores tpicos para BWopt en LEDs estn en el rango de 50-150 MHz.

El correspondiente ancho de banda elctrico est dado por:

BWelect= (1/2pipipipi)

Conclusin: El BWopt es 3 mayor que el BWelect.


Caractersticas Espectrales de los LEDs

La T afecta al espectro de emisin de los lseres produciendo undesplazamiento de toda la curva espectral y reduciendo la Pout a

Anchura Espectral vs. T

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La T afecta al espectro de emisin de los lseres produciendo undesplazamiento de toda la curva espectral y reduciendo la Pout amedida que se aumenta la T.

GDAF: 2011-2012

Modos LaserModos Laser


f

I

n

t

e

n

s

i

d

a

d

Curva de ganancia

I

n

t

e

n

s

i

d

a

d

Modos axialesen salida laser

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f

f

I

n

t

e

n

s

i

d

a

d

Modos axiales posibles f

f = c/2nLn= ndice refraccin L=long. cavidad laser

f

I

n

t

e

n

s

i

d

a

d

m (n modos) = 2nL/= /(2nL)Donde es la separacin entre modos contiguos

Diodos LaserDiodos Laser

Caractersticas generales de los lseres de SC: Pequea anchura espectral del pico de emisin Capacidad de modulacin elevada (fM> GHz) Coherencia espacial y temporal altas Potencia de emisin > mW Baja corriente umbral para alcanzar el laseado


Dr. C. Vzquez 2010-2011 22

Baja corriente umbral para alcanzar el laseado

Eficiencia cuantica externa diferencial DD = (dP/h)/(dI/e)=1/Eg[(dPe)/dI]donde, Eg=h (eV)

Eficiencia cuantica externa o eficiencia total TT = N total fotones emitidos/N total e inyectadosT = (P/h)/(I/e)=(Pe)/(IEg)

Diodos LaserDiodos Laser

Caractersticas generales de los lseres de SC:

Eficiencia de potencia externa o eficiencia del dispositivoep = Popt/Pelect= [(Popt)/VI]

ep = T (Eg/eV) x 100


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ep = T (Eg/eV) x 100

La variacin de la corriente umbral con la T viene dada por

Iumb (T) = I0 e(+T/T0)

donde I0 y T0 son constantes propias de cada dispositivo laser

Tipos Diodos Laser Tipos Diodos Laser

Lser Fabry-Perot (FP) Enlaces alcance corto-medio a 850 y 1300nm

Potencia total pocos mW, FWHM de 3-20nm

Altamente polarizados

Lser DFB (Distributed Feedback Laser) Enlaces largo alcance, DWDM


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Enlaces largo alcance, DWDM

Caros, potencia 3-50mW

Anchura espectral de 10-100MHz (0.08-0.008 pm)

SMSR (Single Mode Size Rejection) >50dB

VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) Gigabit Ethernet, FWHM


Espectros LEDs y lser

Anchura espectral

FWHM,

Po*0.5

LED para baja velocidad

Diodo Lser Fabry Perot para velocidades bajas y medias

40nm

2nm

2525

Diodo Lser DFB para altas velocidades

Diodo Lser DFB para deteccin Heterodina

0.2nm

0.007pm

Espectro de emisin del LED es mucho ms ancho que eldel LD.

La potencia emitida por el LD suele ser ms elevada quelas del LED para valores de corriente comparables.


Comparativa LEDs y lser

GDAF: 2011-2012 26

las del LED para valores de corriente comparables.

En cuanto a Pout, la curva del LED es cuasi lineal mientrasque la del LD presenta dos pendientes diferentes (cuandotrabaja en modo LED o en modo lser, antes o despusdel codo de la curva).

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