Fotodetectores y fotoemisores

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1 5. Opoelecrónica 5.1. Inroducción 5.2. Nauraleza ondulaoria de la luz 5.3. Elemenos de la física de esado sólido 5.4. Modulación de la luz 5.5. Disposiivos de visualización 5.6. Lasers 5.7. Foodeecores y fooemisores 5.8. Fibra ópica 5.9. Sisemas de comunicación ópica Oras aplicaciones de la fibra ópica Foodeecores y fooemisores Fooemisores. Foodeecores. - Disposiivos que al ser someidos a una corriene o diferencia de poencial, generan un haz de luz. Transforman energía elécrica en energía lumínica. - No vamos a ver más que los LED y los Láser, que son los necesarios para cualquier apicación opoelecrónica. - Disposiivos que al ser aacados por la luz, generan una corriene elécrica. Transforman energía lumínica en energía elécrica. - Exisen dos ipos: - Foodeecores érmicos. La luz incidene caliena el disposiivo y ese calor provoca un cambio en la conducividad del disposiivo que se raduce en un cambio en una ensión o corriene - Foodeecores foónicos. La luz es direcamene responsable de la corriene elécrica generada 1

2 Foodeecores R1 i G R3 Radiación Elemeno sensiivo G R2 R4 Puene de Wheasone. Si R1/R2 = R3/R4 i G = 0. Si R3 cambia en valor un poco, aparece una corriene i G proporcional al cambio. Foodeecores foónicos Efeco fooelécrico. Luz incidene en un meal (NaKCsSb), se genera una corriene elécrica, a parir de una frecuenmcia umbral de la luz incidene. Foodiodos de vacío. Tensión umbral. Del orden de cienos de volios. + Ánodo R L Radiación incidene - Cáodo 2

3 Foodeecores foónicos Deecores fooconducivos. Modifican su conducividad al incidir la luz. - Al incidir un foón de adecuada energía arranca un elecrón a la capa de conducción. - Al haber más elecrones en la capa de conducción que en equilibrio, aumena la conducividad del maerial - Ese efeco sólo se puede hacer con maeriales semiconducores: ienen los elecrones en la capa de valencia pero cerca de la capa de conducción. Radiación incidene Semiconducor (GaAs, CdS, GaInAsP, Ge) Elecrodos Foodeecores foónicos Deecor de unión p-n. Foodiodo p-n - Incide un foón y genera un par elecrón-hueco - Exise un campo elécrico en la unión en equilibrio - El elecrón va hacia la zona de más poencial mienras que el hueco hacia la de menos poencial - Se genera una corriene elécrica E Fp E vp Poencial p n E cn E Fn E vn Región de deplexión 3

4 Foodeecores foónicos Deecor de unión p-n Irradiancia p+ Región de deplexión Conacos meálicos n n+ Salida Difusión de poradores en la región de deplexión Respuesa emporal Foodeecores foónicos Fooransisores - El principio de funcionamieno es el mismo que el del foodiodo - A diferencia que el foodiodo, enemos un efeco amplificador. Conacos de Al + Tensión de referencia Colecor Capa de pasivación Base (no conecada) p n Emisor Vou n R L Base Emisor Colecor 4

5 5. Opoelecrónica 5.1. Inroducción 5.2. Nauraleza ondulaoria de la luz 5.3. Elemenos de la física de esado sólido 5.4. Modulación de la luz 5.5. Disposiivos de visualización 5.6. Lasers 5.7. Foodeecores y fooemisores 5.8. Fibra ópica 5.9. Sisemas de comunicación ópica Oras aplicaciones de la fibra ópica Fibra ópica La fibra ópica se engloba denro de una caegoría de componenes denominados guías de onda. La función de las guías de onda en un sisema opoelecrónico es la conducción de la onda luminosa de un lugar a oro. Para conducir la onda elecromagnéica es necesario confinarla en la guía de onda. Se hace variar el índice de refracción en la guía de onda para que se quede confinada denro de la guía. Las guías de onda se componen de un núcleo con un índice de refracción y un recubrimieno con oro índice de refracción disino, de esa forma la luz es confinada en su inerior La fibra ópica es una guía de onda con sección circular. 5

6 Fibra ópica Transmisión de una onda luminosa Φ θ nr1 nr2 Reflexión: La onda es reflejada por el disino índice de refracción de los medios, no se pierde energía. Ángulo de incidencia: iene un valor umbral, a parir del que la luz deja de reflejarse en el inerfaz enre los maeriales Diámero de la fibra: debe ser del orden de magniud de la longiud de onda La ransmisión debe ser esudiada por mecánica ondulaoria La orienación de los campos elécrico y magnéico influyen en la ransmisión La nauraleza ondulaoria de la luz provoca la aparición de modos de ransmisión Fibra ópica Dispersión en la ransmisión de una onda luminosa Inensidad Inensidad Pulso de luz Pulso de luz dispersado El pulso inicial no es direccional: algunos haces de onda recorren más disancia Esos haces de onda llegan más arde El pulso a la salida de la fibra será más ancho en el iempo: se ha dispersado Ese efeco limia el ancho de banda de la fibra ópica. 6

7 Fibra ópica Dispersión cromáica en la ransmisión de una onda luminosa A disina longiud de onda corresponde disina velocidad de ransmisión en el medio Si se ransmien dos ondas de disina frecuencia una de ellas (con λ mayor) llegará anes. Inensidad Inensidad V(λ 1 ) V(λ 2 ) Especro Pulso de luz Pulso de luz dispersado λ 1 λ 2 Fibra ópica Bi rae y ancho de banda Bi rae (kbps, Mbps). Número de bis que puede ser ransmiido por segundo a ravés de un canal de información sin deerioro significaivo. Se usa en comunicaciones digiales. Ancho de banda (khz, MHz). Rango de frecuencias en el que una señal puede ser ransmiida. Se usa en comunicaciones analógicas, aunque ambién se hace una analogía con las comunicaciones digiales. La dispersión en la fibra ópica resringe el bi rae : - A lo largo de la longiud de la fibra, los pulsos se van ensanchando. - En deerminado puno se solapan los pulsos - Finalmene la información se pierde. La relación bi rae - disancia la dan los fabricanes como produco: por ejemplo 600 MBis/s km (para 2 km : 300 Mbis/s) 7

8 Fibra ópica Fibra ópica con índice de refracción que varía gradualmene Concepo: hacer que el haz de luz que recorre más disancia lo haga a más velocidad (variando el índice de refracción) El índice de refracción varía radialmene Indice de refracción Fibra monomodo. El diámero es an pequeño que sólo se permie un modo de ransmisión Con una fibra monomodo se pueden alcanzar 200 Gbis/s km Para reducir la difusión cromáica se deben usar láser en lugar de LED s Fibra ópica Aenuación en las fibras ópicas Exise aenuación: pérdida de poencia Hay que uilizar amplificadores repeidores a lo largo del recorrido Causas de la aenuación - Absorción por ineracción de los elecrones de los áomos con la radiación. Pico a frecuencias UV - Absorción por vibración molecular. Pico a frecuencias IR - Dispersión. La energía de la luz escapa de la fibra Medida de la aenuación - A (db/km) = 10 log 10 (P i /P f ) / L siendo P i : poencia inicial, P f : poencia final, L: longiud (km) 8

9 Fibra ópica Aenuación en las fibras ópicas 100 Aenuación oal Aenuación (db/km) Rango real de aenuación Absorción UV Dispersión Absorción IR Long. Onda (µm) Fibra ópica Tipos de fibras ópicas Maerial Tipo Diámero (µm) Recubrimieno/ Núcleo Aenuación db/km Bi rae MB/s km Aplicación Todo plásico Mulimodo Recubrimieno plásico Mulimodo Silicio Mulimodo Silicio Mulimodo Índice gradual bajo Bajo cose conexiones coras 100m Bajo cose coro recorrido Bajo cose coro recorrido Recorrido medio Ancho Banda medio Fuene láser Silicio Monomodo Índice escalón , Largo recorrido Ancho Banda alo sisemas láser Silicio Monomodo Hasa Sis. Inerconinenales de gran ancho de banda 9

10 Fibra ópica Disposiivos acopladores Si queremos mezclar las ondas de dos fibras disinas o si queremos pasar la onda de una fibra a ora: Fibra ópica Empalmes y conecores En un conecor o empalme se debe ransmiir odo el flujo enrane. La alineación enre fibras debe ser casi perfeca Conecores: Los exremos de las fibras se alinean mecánicamene con un ercer medio, normalmene aire Empalmes: Las exremos de las fibras se sueldan, no exise ningún medio enre ellas. Se pueden uilizar pegamenos de deerminadas caracerísicas 10

11 Fibra ópica Fuenes luminosas para fibras ópicas y deecores - Deben emiir en las venanas de mínimas pérdidas. - Adecuado perfil de inensidad para máximo acoplamieno a la fibra - Tiempos de subida/bajada muy coros Los LED s y los diodos LASER son los disposiivos que cumplen los requisios: Parámero LED Diodo LASER Unidad Poencia de salida 1 a 10 1 a 100 mw Poencia acoplada a la fibra 0,0005 a 0,5 0,5 a 5 mw Ancho de banda en 800 nm 35 a 50 2 a 3 nm Ancho de banda en 1300 nm 70 a a 5 nm Tiempo de subida 2 a 50 <1 ns Respuesa en frecuencia <500 >500 MHz Cose Bajo Alo 11

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