Capitulo 5
1CAPITULO V
DISPOSITIVOS PTICOS ACTIVOS
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Temas PrincipalesFuentes de luz y transmisores
pticos.Fotodetectores y Receptores pticos.Amplificadores
pticos.2B&Z TELECOM-MAYO 2013
Fuentes de LuzRequerimientosDimensiones compatibles con el de la
fibra ptica.Linealidad en la conversin electro-ptica.Caractersticas
de emisin compatible con las caractersticas de transmisin de la
fibra ptica.Coherencia.Gran capacidad de modulacin.Suficiente
potencia ptica de salida y eficiencia de
acoplamiento.Funcionamiento estable con la
temperatura.Confiabilidad (Tiempo de vida til).Bajo consumo de
energa.Economa.
TiposLED (Light Emitting Diode)LASER (Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation)3B&Z TELECOM-MAYO 2013
DIAGRAMA DE ESTADOS DE ENERGA Y PROCESO DE CONVERSIN
OPTO-ELECTRNICA4
B&Z TELECOM-MAYO 2013
BANDA DE ENERGA DE LOS ELECTRONES5
B&Z TELECOM-ABRIL 2013
LED: EL DIODO EMISOR DE LUZFuente de luz incoherente basada en
una estructura de uniones de material semiconductor del tipo p-n de
transicin directa, que al ser polarizada directamente da origen a
la emisin de radiacin.B&Z TELECOM-ABRIL 20136
Polarizacin Directa Inyeccin de electrones y huecosRecombinacin
de pares electrn-huecoEmisin espontnea
EMISION ESPONTANEA EN UNA UNION P-N
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LED DE DOBLE HETEROESTRUCTURA (LED-DH)
Estructuras LEDLED de Emisin Superficial (Tipo Burrus):
Estructura donde la radiacin emitida se encuentra en un plano
paralelo al de la unin. Proporciona una mayor eficiencia en el
confinamiento elctrico y ptico, tambin como menor absorcin de la
radiacin emitida.
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Fibra ptica MultimodoSalida de Luz50umLmina metlicaMontante de
oroRegin principal de emisin de luzContacto 50um dimetroSiO2
Resina Epoxica GaAs tipo n
n-AlGaAsp-GaAsp-AlGaAsp+GaAsMetalizacinB&Z TELECOM-MAYO
2013
Estructuras LED9
LED de Borde (ELED): Estructura de geometra de franjas, donde la
radiacin emitida se encuentra en el mismo plano de la unin.
Proporciona alta radiacin.LED Superluminicente: Estructura de alta
potencia de salida, haz de salida direccional y anchura espectral
angosta. Su estructura y propiedades son muy similares a los ELED y
a los LASER de inyeccin.B&Z TELECOM-MAYO 2013
Caractersticas del LEDEmisin incoherente.Responsitividad (R). R=
Po/I = extinthf/ePo=Potencia ptica emitida. e= Carga del electrn =
1.602x10-19C.int = Eficiencia cuntica interna ~ 90%.ext =Eficiencia
cuntica externa ~ 1-3%.Tpicamente R ~ 0,01 [W/A](poca dependencia
con la temperatura ambiente)Potencia de salida (0,4-1mW).=1.8KBT
2/hcKB =Constante de Boltzmann= 1.381x10-23J/K=0.862X10-4eV/K ~
30-150nm.
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Caractersticas LEDAncho de Banda (f3dB) y Modulacin Interna
f3dB= 3/2tc tc= Tiempo de recombinacin de portadores.Para InGaAsP
tc ~ 2- 5 ns f3dB ~50-300 MHzMxima Tasa Binaria: 622 Mb/sDiagrama
de radiacin lambertiano P() =P(0) cosGeometras aptas para acoplar a
fibras pticas multimodo.Fabricacin sencilla.Bajo costo, en
comparacin con los LD.11B&Z TELECOM-MAYO 2013
LASER: Amplificacin de Luz por Emisin Estimulada de
RadiacinFuente de Luz amplificada y coherente, basada en una
estructura de uniones de material semiconductor del tipo p-n y
formando una cavidad ptica resonante (del tipo FABRY PEROT), para
proporcionar la realimentacin de fotones y aumentar la emisin
estimulada.12
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Corregir longitud (l) de cavidad.12
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Laser de Doble Heteroestructura
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Estructura LserLser guiados por Ganancia: Estructura de geometra
de franjas donde la distribucin de modos pticos a lo largo del
plano de la unin es determinado por la ganancia ptica de la
cavidad. Por lo general proporciona una emisin multimodo.Lser
guiados por Indic: Estructura donde la distribucin de modos pticos
es determinado por los ndices de refraccin de la capa activa y de
las capas de confinamiento lateral. La emisin puede ser monomodo o
multimodo.Lser Monomodo: Estructura que proporciona una
realimentacin selectiva de frecuencia de manera que la perdida de
cavidad es diferente para varios modos longitudinales. La emisin de
luz contiene un solo modo longitudinal.- Lser de Realimentacin
Distribuida DFB (Distributed Feedback) y DBR (Distributed Bragg
Reflector)- Lser de Emisin Superficial y de Cavidad Vertical VCSEL
(Vertical Cavity Surface Emiting Lasers) 15B&Z TELECOM-MAYO
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16Estructuras Laser: Fabry PerotGuiado por ganancia:- Fabricacin
sencilla.- Haz inestable.Guiado dbil por ndice:- Fabricacin ms
compleja.- Control de modos laterales.- Menor volumen.
Bombeado.Guiado fuerte por ndice (estructuras enterradas):-
Fabricacin compleja.- Confinamiento ptico de portadores.- Mnimo
volumen bombeado.
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17Lser Monomodo (Solo una Frecuencia)DFB: Distributed Feedback
LaserDBR: Distributed Bragg Reflector(l depende de T, se puede
sintonizarVariando la temperatura de operacin)Longitud de onda de
BraggSeleccionan un nico modo Tecnologa complejaPrecio alto
Tipo pTipo nB&Z TELECOM-MAYO 2013
18Lser de Emisin Superficial y de Cavidad Vertical (VCSEL)Pequeo
volumen: menor ganancia, menor corriente umbral.Tecnologa
compleja.Problemas trmicos.Comn en 1ra ventana, comenzando en 2da y
3ra ventana.Bajo precio. Emisin monomodo debido a la corta cavidad
y a los DBRs.
B&Z TELECOM-MAYO 2013
Caractersticas de los LserEmisin de radiacin coherente (fotones
con idntica fase, frecuencia, polarizacin y direccin). Alta
eficiencia cuntica interna. Alta potencia de salida (hasta
100mW).Anchura espectral , reducida (Fabry-Perot: 1-3 nm, DFB:
0.0001-0.001nm).Modulacin directa posible hasta 30 Gb/s. Diagrama
de radiacin elptico. Su geometra y caractersticas permiten acoplo
de potencia muy eficiente en fibras SM.Puede modularse en
intensidad y en frecuencia.
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Caractersticas de Desempeo de las Fuentes de Luz20
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Comparacin de Fuentes de Luz21ParmetroLEDLASER FPLASER
DFBVCSELLongitud de Onda (nm)850 y 13101310 y 15501310 y 1550850 y
1310Potencia emitida (dBm)0152010Atenuacin de Acoplamiento
(dB)15~203~53~53~5Potencia Acoplada (dBm)20dB).Alta Potencia de
Saturacin de salida: 30dBm.Alta potencia de bombeo.Elevado Ancho de
banda (48nm).Puede operar en la regin 1280~1650nm.Factor de ruido
reducido (3dB).Diafona relativamente elevado.Independiente de la
polarizacin.
Amplificador RamanB&Z TELECOM-MAYO 2013
Amplificadores pticos a Semiconductores-SOASimilar a una cavidad
LASER, pero en donde se ha eliminado el resonador. Se inyectan
portadores y se potencia la emisin estimulada esperando a que
cuando llegue la seal por la fibra de entrada se generen nuevos
fotones y por tanto se amplifique. B&Z TELECOM-MAYO 2013
FibraFibraCorriente de bombeoSeal AmplificadaSeal de entrada
Amplificadores pticos de Semiconductor -SOACaractersticas de
DesempeoRelativamente alta ganancia (20dB).Potencia de saturacin de
salida reducida: 5~10dBm.Ancho de Banda elevado.Pueden operar en
las regiones 850, 1300 y 1550nm.Factor de ruido y diafona
relativamente elevados.Dependiente de la polarizacin.Compactos y
fcilmente integrados con otros dispositivos.
B&Z TELECOM-MAYO 2013
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Amplificadores pticosCaractersticas de GananciaB&Z
TELECOM-MAYO 2013
51Comparacin entre AmplificadoresParmetroEDFAROASOALongitud de
Onda (nm)1530~15651280~16501280~1650Ancho de Banda
(nm).30-4030~35Mas para mltiple bombeo.30~40Ganancia
(dB)30-50>2020~30Potencia de Bombeo (mW)20-100>30
