modulo 1 emisores opticos tipos y parametros caracteristicos
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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Caractersticas bsicas LEDCaractersticas bsicas LED
2. Emisores pticos 2. Emisores pticos
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
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Caractersticas bsicas LASERCaractersticas bsicas LASER
2. Emisores pticos 2. Emisores pticos
LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation): Emisin Estimulada
Potencia ptica emisin: centenas mW- W
Optical power(mW)
LASER
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Anchura espectral: < pocos nm
Optical power(mW)
Wavelength(nm)
LASER
LED
Forward current (mA)
LED
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2. Emisores pticos 2. Emisores pticos
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.
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2. Emisores pticos 2. Emisores pticos
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
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2. Emisores pticos 2. Emisores pticos
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
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2. Emisores pticos 2. Emisores pticos
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
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2. Emisores pticos 2. Emisores pticos
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 =
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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
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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.
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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).
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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.
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2. Emisores pticos 2. Emisores pticos
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
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Modos LaserModos Laser
2. Emisores pticos2. Emisores pticos
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
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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
2. Emisores pticos2. Emisores pticos
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)
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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
2. Emisores pticos2. Emisores pticos
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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
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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
2. Emisores pticos2. Emisores pticos
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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
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2. Emisores pticos 2. Emisores pticos
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
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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.
2. Emisores pticos 2. Emisores pticos
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).