Fuentes ópticas generación de la luz




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UNIVERSIDAD DE AQUINO BOLIVIAhttp://konemak.com.mx/wp-content/uploads/2011/07/fibra-optica.jpeg




ESTUDIANTES: logoudabol.jpg

JHEYSON MACHICADO TORREZ

CRISTIAN ALIAGA CAHUANA

RODRIGO SUXO CRUZ

DANIEL ACARAPI ARTEAGA

MATERIA:

SISTEMAS DE TRANSMISION

POR FIBRA OPTICA

TEMA:

FUENTES ÓPTICAS

FECHA:

23/ 10/ 2014

LA PAZ – BOLIVIA

FUENTES ÓPTICAS



Generación de la luz.


Que es un fotón?

El fotón fue llamado originalmente por Albert Einstein "cuanto de luz”.

El nombre moderno “fotón” proviene de la palabra griega que significa 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.



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Forma simplificada en que un electrón emite un fotón de luz. Para ello una de las partículas libres que aparecen por la izquierda hace impacto con un electrón que se encuentra girando en su correspondiente órbita interna dentro de un átomo. El impacto provoca la excitación de ese electrón haciendo que abandone su órbita y pase a ocupar la siguiente, cuyo nivel de energía es superior por encontrarse más alejada del núcleo del átomo. La reacción inmediata del núecleo es atraerlo de nuevo y reintegrarlo a su órbita original. En el momento que eso ocurre, la energía extra que ha adquirido el electrón al ocupar por breves instantes un nivel superior de energía, la libera en forma de fotón de luz, tal como se puede apreciar a la derecha.

Efecto fotoeléctrico.


El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material cuando se hace incidir sobre la radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general). A veces se incluyen en el término otros tipos de interacción entre la luz y la materia:

  • Fotoconductividad: es el aumento de la conductividad eléctrica de la materia o en diodos provocada por la luz.

  • Efecto fotovoltaico: transformación parcial de la energía luminosa en energía eléctrica.un diagrama ilustrando la emisión de los electrones de una placa metálica, requiriendo energía de energia que es absorvida de un fotón.http://www.eurosolutions.it/wp-content/uploads/2012/09/fotovoltaico.jpg



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.

Requerimientos


Los requerimientos principales para una fuente óptica son:


  1. Linealidad en la característica de conversión electro – óptica.

  2. Gran capacidad de modulación.

  3. Modulación directa.

  4. Suficiente potencia óptica de salida y eficiencia de acoplamiento.

  5. Funcionamiento estable con la temperatura.

  6. Confiabilidad. (Tiempo de vida útil).

  7. Bajo consumo de energía.

  8. Economía.

  9. Tamaño y configuración óptimas para el acoplo de luz en la fibra.

  10. Emitir luz a longitudes de onda idóneas para la fibra.

Características:


  • Convierte impulsos eléctricos en señales luminosas.

  • Genera luz compuesta por corpúsculos de energía o cuantos de luz. (fotones)

  • Las longitudes de onda más utilizadas son:



850 nm, 1310 nm, 1550 nm.
Conversión Electro óptica



CONVERSIÓN ELETRO -ÓPTICA

Cuando un semiconductor se encuentra excitado. O sea que dispone de electrones en la banda de conducción, puede emitir fotones como resultado de la recombinación de los electrones de la banda de conducción que saltan hacia la banda de valencia, Conversión eléctrica en óptica.



EMISORES

•Fenómeno de recombinación de electrones de la banda de conducción con

Huecos de la banda de Valencia

• Si el semiconductor es del tipo Directo se genera un Fotón desapareciendo el

Electrón y el hueco

•Por ejemplo el ARSENIURO DE GALIO NaGa

•El Silicio Si es del tipo indirecto, la recombinación de electrones de la banda de

Conducción con huecos de la banda de Valencia genera Fanones (Calor)



TIPOS DE FUENTES:

Hay 2 tipos diferentes de fuentes de luz siendo usados en sistemas de fibra óptica: los diodos emisores de luz o light-emitting diode (LED) y el diodo de inyección láser o injection láser diode (ILD). Ambos dispositivos tienen ventajas y desventajas y la selección de un dispositivo sobre otro se determina por los requerimientos económicos y de rendimiento del sistema.

 DIODOS EMISORES DE LUZ (LED)

El LED es, en esencia, un diodo p-n directamente polarizado. Los electrones y los huecos inyectados como portadores minoritarios atraviesan la unión y se recombinan bien por recombinación radiante, bien por recombinación no radiante. El diodo debe ser diseñado para que la recombinación radiante sea lo más fuerte posible.





En la figura se observa la inyección de portadores en una unión. Los huecos inyectados en la zona profunda generan fotones que no saldrán a la superficie por ser reabsorbidos. Los fotones generados por los electrones al estar más cerca de la superficie sí que serán emitidos al exterior.

En condiciones de polarización directa los electrones son inyectados desde la zona n a la p mientras que los huecos son inyectados desde la zona p a la n.
El LED es un dispositivo sencillo de manipular y económico, que se adapta bien a enlaces de Comunicaciones Ópticas de poco alcance y moderado ancho de banda. Tienen habitualmente un diagrama de radiación lambertiano (coseno), es decir, bastante abierto, por lo que se adaptan mejor a fibras ópticas con apertura numérica alta, como las fibras multimodo. Es común utilizar LEDs asociados a fibras multimodo de índice gradual en redes de área local.

Los LED emiten luz incoherente, a diferencia de los LD. Funcionan por emisión espontánea. Desde el punto de vista eléctrico, un LED es un diodo que se polariza en directa, y necesita para su funcionamiento una fuente de corriente. La respuesta óptica del LED es (razonablemente) lineal con la corriente que lo atraviesa, hasta llegar a saturación.
Los LED de primera ventana (850 nm) suelen fabricarse de GaAs (Arseniuro de galio) y AlGaAs (arseniuro de galio y aluminio). Los de segunda y tercera ventana utilizan InGaAsP (arseniuro fosfuro de indio y galio) e InP.
TIPOS DE LED PARA COMUNICACIÓN ÓPTICA
Existe tres tipos básicos de LED para sistemas de comunicaciones ópticas por fibra: el LED de emisión superficial (SLED), el de emisión por borde o lateral (ELED) y el diodo superluminiscente (SLD) o superradiante. Sus características electroópticas y dinámicas son diferentes, por lo que resultan apropiados en distintas aplicaciones. Así, en distancias cortas (0-3 km), con tasas binarias bajas, se usan SLEDs y ELEDs. Un SLED típico puede funcionar eficientemente hasta 250 Mbps. Van invariablemente asociados a fibras ópticas multimodo, puesto que su diagrama de radiación suele ser bastante abierto (lambertiano).
Para distancias mayores y/o tasas binarias más altas, se prefieren los ELED. Éstos pueden modularse a tasas superiores a 400 Mbps, y se asocian tanto a fibras monomodo como multimodo. A distancias y tasas aún mayores se usan los ELED y los SLD. Los SLD son ELEDs diseñados para operar en modo superluminiciscente, por amplificación de emisión espontánea (ASE), tal como se comenta posteriormente.

LED de emisión superficial (SLED)
Un tipo importante de LED es el de emisión superficial desarrollado por primera vez por Burrus y Dawson en 1970 y cuyo esquema se muestra en la siguiente figura.




Los SLED son diodos que emiten por una de sus caras, p o n. Los más conocidos son los de tipo Burrus (Fig. 5), llamados así en honor de C.A. Burrus, que fue quien los desarrolló. Existe otra variedad llamada plana, que se diferencia básicamente en la estructura,

Tanto en uno como en otro caso, el tamaño de la región activa de emisión se limita a una zona circular de 20–50 µm, en el centro de la cara. Para mejorar la eficiencia, se adelgaza la parte de la cara de emisión situada sobre la región activa, ya sea por ataque químico (Burrus) o por construcción. Sobre el hueco practicado se suele fijar una fibra óptica con un adhesivo de tipo epoxi, de modo que la fibra queda situada perpendicularmente a la zona activa. Además de garantizar un acoplamiento óptimo de la luz, el adhesivo permite emparejar los índices de refracción reduciendo la reflexión Fresnel de las caras.
LED de emisión lateral (ELED)
Los LEDs de emisión lateral o de borde (edge-emitting LEDs o ELED) surgieron como desarrollo posterior ante la demanda de fuentes que pudiesen alcanzar mayor distancia, a mayor longitud de onda y con mayor tasa binaria.

En los ELED, la región activa es una tira estrecha que se crea bajo la superficie del sustrato. Éste se corta o se pule de manera que la tira alcanza los dos extremos del dispositivo. Se emplea una doble heteroestructura con los mismos fines que en los SLED, y además como guia de onda, haciendo el índice de la zona activa superior al de las dos zonas inmediatas. También se confina lateralmente. La faceta trasera se suele tallar o recubrir para hacerla reflectante, mientras que la delantera, por donde se produce la salida del haz de luz, se recubre de un material antirreflexivo. De este modo se optimiza la salida a un solo borde.

Los ELED son capaces de acoplar mayor porcentaje de potencia que los SLED a fibras con baja apertura numérica. En algunas aplicaciones se utilizan asociados a fibras monomodo. El rango espectral de la emisión es asimismo más estrecho en los ELED. Como contrapartida, los ELED son más sensibles a los cambios de temperatura que los SLED.



LED súper radiantes (SLD)
Los LEDs súper radiantes o súper luminiscentes (SLD) son ELED que funcionan a un alto régimen de inyección de corriente. El fenómeno de la súper luminiscencia (obtención de más de un fotón en promedio por cada recombinación espontánea) aparece cuando los fotones producidos por emisión espontánea experimentan ganancia por emisión estimulada debida a la alta concentración de pares e--h+ existentes en cada momento. La salida de un SLD procede de esta amplificación de la emisión espontánea (ASE) y como consecuencia es parcialmente coherente.
Los SLD son dispositivos intermedios entre los LED convencionales y los láseres. Presentan una anchura espectral menor que los primeros y mayor que los segundos. Su geometría se aproxima a los LDs, pero carecen de un mecanismo eficiente de realimentación óptica necesario para conseguir alta coherencia (llevan una capa anti reflexiva para destruir la cavidad Fabry-Perot).
Cuando se ataca un SLD con baja intensidad, su funcionamiento es semejante al de un ELED. A medida que se incrementa el nivel de corriente, comienza a actuar el fenómeno de la súper luminiscencia, y la potencia óptica aumenta de forma no lineal a la vez que se reduce la anchura espectral.
Las ventajas principales de los SLD son su mayor potencia acoplada, mayor ancho de banda y menor anchura espectral. Por el contrario, la respuesta no lineal corriente-potencia óptica supone una desventaja, además de su alta sensibilidad a la temperatura, menor fiabilidad y alto precio.


DIODO LASER

Los Diodos láser, emiten luz por el principio de emisión estimulada, la cual surge cuando un fotón induce a un electrón que se encuentra en un estado excitado a pasar al estado de reposo, este proceso está acompañado con la emisión de un fotón, con la misma frecuencia y fase del fotón estimulante.

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El diodo laser se obtuvo como resultado de la continuación del desarrollo del diodo Led

Se trata de amplificar la luz de longitudes de onda que van desde el infrarrojo hasta el ultravioleta. La emisión laser, además de caracterizar por la existencia de ganancia, presenta una serie de propiedades que la diferencian de la luz normal:

  • Mono cromaticidad (el espectro de frecuencias es muy estrecho)

  • Coherencia(todos los fotones están en fase)

  • Direccionalidad (solo las ondas que viajen a lo largo del eje de la cavidad son amplificadas por el medio activo y contribuyen al haz laser de salida)



SISTEMA LASER

El láser es un sistema similar a un oscilador electrónico.

Un sistema láser provisional consta de un medio activo, un mecanismo de excitación (feedback), retroalimentación óptica (espejos), y un acoplador de salida. Como se muestra en la siguiente figura.



El medio activo es una parte muy importante del láser ya que el material usado como medio activo determina:

  • La longitud de onda del láser.

  • El método de bombeo más adecuado.

  • Orden de magnitud de la salida del láser.

  • El rendimiento del sistema láser.

TIPOS DE LASER.-

Fabry Perot.

En la estructura del laser Fabry Perot la luz es reflejada y vuelta a reflejar entre dos espejos a ambos lados de un semiconductor. El material y los dos espejos forman una caviad resonante que determina la longitud de onda. La luz emitida tiene muchas componentes espectrales y la energía se dispersa.

Tiene cierta inestabilidad en la potencia de salida que se traduce como ruido y se utiliza para la transmisión de datos en el retorno.





VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser).

Láser de emisión superficial con cavidad vertical , es un diodo semiconductor que emite luz en un haz cilíndrico vertical de la superficie, y ofrece ventajas significativas cuando se compara con láser de emisión lateral comúnmente usados en la mayoría de comunicaciones por fibra óptica.

Los VCSELs pueden ser construidos con GaAs, InGaAs.

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ESTRUCTURA

Para el funcionamiento del VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) se requiere de una región activa de emisión de luz encerrada en un resonador que consta de dos espejos.

Estos espejos son conocidos como reflectores distribuidos de Bragg (DBRs).

Los reflectores distribuidos de Bragg (DBRs), llegan a formar espesor usando entre 40 y 60 películas en cada DBR, produciéndose un espesor total de 6μm –8μm. Para crear la unión p-n se necesita que un DBR este dopado para hacerlo semiconductor tipo n y el otro DBR tipo p.



Los VCSEL tienen alto rendimiento y bajo costo, algunas de sus características son:


  • Comercialmente la corriente de umbral de un VCSEL es de aproximadamente 4 mA. Alcanza potencias ópticas del orden de 10 mW.

  • Su ancho espectral es de aproximadamente 1nm.

  • Su longitud de onda central es de aproximadamente 850 nm.

  • Se puede aplicar un VCSEL en transmisión de datos en el rango de velocidad de 100 Mbs a 1 Gbs.

DFB- Distributed FeedBack Laser 

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Un láser de retroalimentación distribuida (DFB) es un tipo de láser de diodo, láser de cascada cuántica en el cuál la rejilla está distribuida a lo largo de todo el medio activo. La longitud de onda de la rejilla determina la longitud de onda emitida por el láser. Este láser emite radiación en una línea espectral muy estrecha.



DBR (Didtributed Bragg Reflector).

Un reflector de Bragg distribuido (DBR) es un reflector utilizado en guías de ondas , tales como fibras ópticas . Es una estructura formada a partir de múltiples capas de alternancia de materiales con diferentes índice de refracción. Cada capa límite provoca una reflexión parcial de una onda óptica. .La gama de longitudes de onda que son reflejadas se llama la fotónica banda rechazada 

En este dispositivo la red de difracción esta fuera de la zona activa, en donde no circula corriente (parte pasiva de la cavidad).



Reflectividad calculada de una Estructura esquemática DBR



Diferencias del diodo láser con un diodo LED.



Ventajas del diodo láser con un diodo LED

La emisión de luz es dirigida en una sola dirección: Un diodo LED emite fotones en muchas direcciones. Un diodo láser, en cambio, consigue realizar un guiado de la luz preferencial una sola dirección.



La emisión de luz láser es monocromática: Los fotones emitidos por un láser poseen longitudes de onda muy cercanas entre sí. En cambio, en la luz emitida por diodos LED, existen fotones con mayores dispersiones en cuanto a las longitudes de onda.



Con el láser se pueden conseguir rayos de luz monocromática dirigidos en una dirección determinada. Como además también puede controlarse la potencia emitida, el láser resulta un dispositivo ideal para aquellas operaciones en las que sea necesario entregar energía con precisión.

Un diodo láser requiere de una fuente de alimentación de 100 a 200 mW.

Desventajas del Laser

  • Los laser están típicamente en el orden de ser más caros que los LED.

  • Debido a que los laser trabajan a potencias más altas tienen una vida más corta que los LED.

  • Los laser son más dependientes de la temperatura que los LED.


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La mayoría de los sistemas utilizan un "transceiver" que incluye tanto un transmisor como un receptor en un sólo módulo. El transmisor toma un impulso eléctrico y lo convierte en una salida óptica a partir de un diodo láser o un LED. La luz del transmisor se acopla a la fibra con un conector y se transmite a través de la red de cables de fibra óptica. La luz del final de la fibra se acopla al receptor.

 

Diseño (chásis)

Generalmente, el diseño de los transceivers es estándar para que múltiples fuentes puedan conectarse al equipo de transmisión. Los módulos se conectan a un conector dúplex en un extremo óptico y a una interfaz eléctrica estándar en el otro extremo. Los transceivers reciben alimentación de los equipos en los que están integrados.

Cabletron Systems TPFOT-2


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TPFOT-2 10BaseT

Transceiver 1 RJ45 UTP a 1 ST MMF.

Cabletron de tpfot-2 es un cobre al convertidor de cable de fibra óptica que permite a los dispositivos de Ethernet para conectar a un sistema de fijación medio (MAU) o concentrador mediante un cable de fibra óptica, y le permitirá ampliar su actual red Ethernet de par trenzado con cable de fibra óptica. El tpfot-2 cumple con todos IEEE 10Base-T y las normas 10Base-FL/FOIRL y viene equipado con un conector RJ-45 para conectar un dispositivo Ethernet sobre cableado de cobre de par trenzado y un conector ST de fibra para soportar un cable de fibra óptica. Este transceptor soporta hasta 1 kilómetro de 50/125, 62.5/125 o 100/140 micras de cable de fibra óptica multimodo, así como 100 metros de cableado de cobre. Los tpfot-2 Características lanviewt LED de diagnóstico para la energía y el estado del enlace, tanto para el cobre y los medios de comunicación de fibra óptica.

BIBLIOGRAFÍA:

http://prezi.com/2aee9tomsg7n/fuentes-opticas/

http://www.jasp.net/optics/fuentes.xhtml

http://www.dsif.fee.unicamp.br/~moschim/cursos/.../fuentesopticas.htm

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