Las comunicaciones a través de fibra óptica necesitan de un enlace llamado enlace de comunicaciones.los bloques principales son

Transcripción

1 COMUNICACIONES CON FIBRA OPTICA Un sistema óptico que utiliza luz como portador de información es en esencia un sistema de comunicaciones. Sin embargo es difícil e impráctico propagar ondas luminosas por el espacio o atmósfera terrestre, por ese motivo se las confina dentro de un tubo de vidrio o plástico para poder contener la información y enviarlas en forma similar a las ondas electromagnéticas en una guía de ondas. La optoelectrónica es la rama de la electrónica que estudia la transmisión de la luz en diversos medios. Una fibra óptica es un elemento conductor de luz cuyo principio de funcionamiento esta basado directamente en el fenómeno de la reflexión total. La fibra óptica puede estar fabricada con vidrio o con plástico.(ver apuntes de FO) Sabemos que la capacidad de conducción de información de un sistema electrónico de comunicaciones es directamente proporciona la su amplitud de banda. Para fines comparativos se acostumbra expresar el BW (ancho de banda) de un sistema analógico de comunicaciones como un porcentaje de la frecuencia de su portadora. A esto se lo llama relación de utilización del ancho de banda. Las comunicaciones a través de fibra óptica necesitan de un enlace llamado enlace de comunicaciones.los bloques principales son a) El transmisor. b) El receptor c) La guía de fibra El transmisor consiste en una interconexión o interface analógica ó digital, un convertidor de tensión a corriente, una fuente luminosa y un acoplador de luz de fuente a fibra. La guía de fibra es el cable de vidrio o sílice o plástico ultra puro. El receptor comprende un dispositivo detector acoplador de fibra a luz, un detector fotoeléctrico, un convertidor de corriente a tensión, un amplificador y por ultimo la interface analógica o digital. Entrada Interface Convertidor de V(t) a i(t) Fuente Luz Interfaz a fibra Fibra óptica Fibra óptica Interfaz de fibra a detector de luz Detector de Luz Convertidor de i(t) a V(t) Interface Salida En un transmisor de fibra óptica, la fuente luminosa se puede modular por una señal digital o analógica. Para la modulación analógica, la interface de entrada compensa las impedancias y limita la amplitud de la señal de entrada. Para la modulación digital, la fuente original puede tener la forma digital o ser analógica. En este caso debemos procesar la información y convertirla en digital es decir en una corriente de pulsos. Agregamos entonces un convertidor analógico-digital El convertidor de tensión - corriente sirve como interconexión eléctrica entre los circuitos de entrada y fuente luminosa. La fuente luminosa puede ser un diodo emisor de luz (LED) o un diodo de inyección laser (ILD). La cantidad de luz emitida por un LED o un ILD es proporcional a la cantidad de corriente de excitación. Así el convertidor de tensión a corriente convierte la tensión de la señal de entrada en una corriente que se utiliza para activar la fuente luminosa. El acoplador entre fuente luminosa y la fibra óptica generalmente es una lente o sea es una interface mecánica. Su función es acoplar con la menor perdida posible (atenuación) la señal que le llega y la que transmite a la fibra. 1

2 La fibra es un núcleo de vidrio o plástico recubierto por un material protector. El acoplador entre la fibra y detector de luz también es mecánico. Su función es sacar tanta luz de la fibra como la que se inyecto y ponerla en el detector de luz. El detector de luz es comúnmente un diodo PIN (tipo p, tipo n intrínseco) o un fotodiodo de avalancha (APD- Avalanche photodiode). Tanto el PIN como el APD convierten la luz que incide en corriente. Por ultimo necesitamos un convertidor de corriente a tensión. La interface analógica o digital en la salida también es una conexión eléctrica. Ahora veremos las características de la fuente luminosa llamada LASER. El término LASER es un acrónimo. Deriva de la frase Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation que traducida significa Amplificación de la Luz por emisión de radiaciones estimuladas. La historia comenzó en 1916, cuando Albert Einstein estudiaba el comportamiento de los electrones en el interior del átomo. Por regla general, los electrones son capaces de absorber o emitir luz. En realidad, los electrones emiten luz espontáneamente sin ninguna intervención externa. Sin embargo, Einstein previó la posibilidad de estimular los electrones para que emitiesen luz de una longitud de onda determinada. El estímulo se lo proporcionaría una luz adicional de la misma longitud de onda. A pesar de que R. Ladenberg verificó el pronóstico de Einstein en 1928, nadie pensó seriamente en construir un dispositivo basado en el fenómeno en cuestión hasta principios de los años cincuenta. Mas adelante con el advenimiento de las comunicaciones de alta frecuencia lo que se trataba de hacer era resonar las microondas. Así nació el primer resonador de microondas que lo llamaron MASER De este modo el MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) paso a ser LASER cuando de las microondas pasamos a las ondas de luz, entonces un Laser es un dispositivo que produce y amplifica la luz. El mecanismo por el cual esto se cumple (Emisiones Estimuladas) fue postulado por primera vez por Einstein. La luz que produce un LASER es única y se caracteriza por sus propiedades las cuales son imposibles de obtener por otra forma que no sea un LASER. En realidad hicieron hacer resonar la luz, así nació el LOSER que significa Oscilación de la luz por emisión estimulada, pero LOSER en ingles es perdedor por lo que cambiaron la letra O por A (ya que oscilación es una forma de amplificación tambien). Asi no quedo perdedor ya que era un nombre nada promisorio para un aparato que recién nacía. Para lograr un mayor entendimiento sobre que es el LASER y sobre lo que el puede lograr haremos un resumen de algunos de los fenómenos que participan en la acción que nos ocupa. Física de la Luz: Para iniciar la explicación es necesario entender la naturaleza intrínseca de la luz. Se pueden analizar por completo estudiando las ecuaciones de Maxwell pero este tema excede lo que pretendemos y para la mayoría de las aplicaciones practicas los analizaremos como un trazado geométrico de ondas o sea de rayos incidentes y reflejados, que en definitiva se obtienen resultados con bastante exactitud. La luz es una forma de energía electromagnética y como tal esta formada por una amplia gama de frecuencias o de longitudes de onda.el espectro electromagnético es precisamente el ordenamiento de estas frecuencias en zonas según la fuente principal que las produce. La clasificación no tiene límites estrictos puesto que fuentes luminosas diferentes producen radiaciones electromagnéticas en intervalos de frecuencias superpuestas. TIPO DE RADIACION FRECUENCIA LONG. DE ONDA (Hertz) REGION ONDAS DE RADIO 10 9 Y MENOS 300 mm y mas DE ONDAS MICROONDAS mm - 0,3 mm INFRARROJO ,3 x10 14 REGION OPTICA VISIBLE 4,3 x ,7 x µm -0,4 µm 2

3 U.V 5,7x ,4 µm- 0,03 µm REGION RAYOS X A -0,3 A DE RAYOS RAYOS γ (GAMMA) y mas 0,3 A y menos El intervalo de frecuencias luminosas que detecta el ojo humano ocupa un segmento muy angosto del espectro total. Analizando la región óptica vemos que el rango visible abarca desde los 0,4 µm a los 0,7 µm o bien desde los 400nm-700nm (nm=nanómetros). Por ejemplo la luz azul ocupa las longitudes de onda mas cortas de la luz visible y los tonos rojos ocupan λ (Long. De onda) mas largas. Como se observa el rango de ondas que detecta el ojo humano va desde los aprox 380 nm hasta los 780 nm. Pero la luz consiste en muchos tonos de colores que se relacionan directamente con la energía calorífica que irradian. Se ve en el grafico que se produce más luz visible a medida que aumenta la temperatura del foco. Las fuentes de luz que se utilizan en las fibras ópticas deben tener una λ (longitud de onda) que se propaguen con eficiencia. Se debe tener presente que a mayor intervalo de λ será mas probable que se presente la dispersión cromática. Otro tema importante es que la fuente de luz debe producir la potencia necesaria para permitir que el haz de luz se propague por la fibra sin causar distorsiones no lineales en ella y en el receptor. Por ultimo se debe fabricar la fuente de energía de manera que se pueda acoplar con la fibra en forma eficiente. Desde el punto de vista clásico la radiación electromagnética (REM) simultáneamente posee 2 cualidades aparentemente contradictorias Ondas que se propagan a través del espacio 3

4 Partículas que poseen energía discreta llamados FOTONES Ambas propiedades se combinan en el concepto corriente que tenemos sobre lo que es la luz. Como una ayuda para comprender estos fenómenos diremos que la luz se mueve del mismo modo que lo hacen las ondas cuando un cuerpo flota en el agua. Decir que la energía definida se halla asociada con las radiaciones es un hecho que se considera característico de la propiedad corpuscular lumínica. Por esto hay dificultad de visualizar las REM como ondas continuas o que se propagan continuamente en el espacio. Pensemos que las REM consisten en un limitado grupo de ondas (wave packet) que se los llama FOTONES.Este paquete de ondas o concentraciones localizadas de energía (fotones) cuyo valor es proporcional a la frecuencia de la luz se mueven a través del espacio dejando satisfecha la humana necesidad de visualizar lo que realmente no podemos ver. Los electrones normalmente están ligados a la idea del metal, es decir que si se los quiere arrancar del metal se les debe suministrar una energía suficiente para vencer las fuerzas que los ligan. Recordar que los átomos están ligados de 3 formas (electrovalente, covalente y coordinada). Esa energía o trabajo de extracción se puede determinar a partir de otro fenómeno conocido como emisión termo electrónica. La luz entonces se produce cuando a un átomo se lo excita y es ese proceso la génesis del LASER. Veamos primero los niveles de energía atómica y luego miremos como los cambios en estos niveles de energía pueden primar en la producción de una luz laser Vamos a realizar una serie de simplificaciones respecto al concepto de la física del átomo a los fines de la explicación.asumiremos entonces que el átomo consiste en un pequeño y denso núcleo y que uno o más electrones giran alrededor de ese núcleo. La relación entre los electrones girando y el núcleo se describe en términos de niveles de energía. La mecánica cuántica predice que estos niveles energéticos son distintos. Veamos un diagrama simplificado de un nivel energético que permite visualizar fácilmente las diferencias entre los niveles de energía. E E 4 N 4 E 3 N 3 E 2 N 2 E 1 N 1 E 0 N 0 Los electrones ocupan normalmente los niveles más bajos de energía disponible o existente. Cuando se da el caso de E 0 se dice que el átomo se halla en el estado basal (ground state). Todo tiende a estar en reposo (Incluso nosotros). Sin embargo los electrones pueden ocupar niveles de energía mas altos o mayores, dejando algunos niveles de energía inferiores vacantes o parcialmente poblados. Una forma por la cual los electrones pueden cambiar desde de un nivel de energía hacia otro es mediante la absorción o emisión de energía luminica.uno de los medios para los cuales un átomo puede cambiar su estado energético es a través de lo que se llama Transición Radioactiva. Existen 3 tipos de transición radioactiva, dos de ellas son familiares a nuestro conocimiento, la absorción y emisión espontanea, pero la 3ra.Emision estimulada no es tan familiar. N 4

5 El fenómeno de absorción: Un electrón puede absorber energía desde una variedad de fuentes externas. Desde el punto de vista de la acción LASER dos métodos de suministro energético para los electrones son de importancia fundamental. El 1 de ellos es la transferencia de toda la energía de un fotón directamente a un orbital electrónico. El incremento en la energía del electrón embestido causa que este salte hacia un nivel de energía superior, el átomo entonces de dice que está en estado excitado. Es importante notar que un electrón puede aceptar solo una precisa cantidad de energía que es la requerida para moverlo de un nivel de energía hacia otro lado. Por otra parte solo FOTONES que contengan la exacta cantidad de energía aceptable para que el electrón pueda ser absorbido. Fotones con solo un poco mas de energía o menos no serán absorbidos. Otra forma frecuente para excitar electrones es una descarga eléctrica. En esta técnica la energía es suministrada por la colisión de electrones que han sido acelerados a través de un campo eléctrico. El resultado de cualquier tipo de excitación electrónica es que a través de la absorción de energía, un electrón puede situarse en un mayor nivel energético que el que residía originariamente. Como resultado de ello, el átomo del cual forma parte, se dice que pasa a un estado estimulado o excitado. Emisión espontanea La naturaleza de toda materia es que tanto las estructuras atómicas como moléculas tienden a existir en el menor o más bajo estado energético posible. De este modo un electrón excitado en un mayor nivel energético que el correspondiente, tenderá súbitamente a des excitarse a si mismo, pero de diversas formas. Parte de la energía desprendida se transforma en calor o bien en lo que se llama emisión espontanea de un fotón. El fotón puesto en libertad poseerá un total de energía exactamente igual a la diferencia de energía entre el nivel de su estado excitado y el nivel basal. Esta liberación de energía se la llama Emisión Espontanea. Un ejemplo de Emisión (y absorción) espontanea se puede apreciar en los materiales fosforescentes, como los carteles indicadores de salida o chalecos de policía. Los átomos están excitados por fotones de energía apropiada, brindada por el sol o por una lámpara. Mas tarde en la oscuridad, los átomos se des excitan a si mismos por emisión espontanea de fotones, en forma de luz visible (por eso brillan). Otro ejemplo es la luz de neón de carteles luminosos de colores. Los átomos de neón son excitados por una descarga eléctrica a través del tubo de vidrio. Ellos se des excitan a si mismos, por emisión de fotones que brindan luz visible. Notar que en ambos ejemplos la fuerza de excitación no es de una única energía, de modo que los electrones suelen ser excitados desde varios niveles de energía diferente. Los fotones liberados en la des excitación deben tener cualquiera de estas diferentes frecuencias y las emisiones de energía pueden apreciarse a simple vista como luz blanca. Emisión estimulada. Quizá este tipo suela ser la menos conocida de transición radioactiva. Como hemos dicho,einstein fue quien postulo en 1917 que un fotón liberado desde un átomo excitado puede interactuar con un segundo átomo similarmente excitado- gatillando este segundo átomo hacia la des excitación con la consecuente liberación de un fotón. Este fotón liberado por el 2 átomo será idéntico en frecuencia, energía, dirección y fase que el fotón gatillo y este último seguirá en su orbita invariable. Entonces donde había un electrón ahora hay dos. Estos dos fotones pueden proceder a estimular más átomos a través del proceso de emisión estimulada. Si en un medio apropiado contiene gran cantidad de átomos excitados y la des excitación ocurre solamente por emisión espontánea, la luz emitida será igual en todas direcciones. El proceso de emisión estimulada, sin embargo, puede causar la amplificación de un número de fotones que viajan en una dirección en particular, en forma de cascada de fotones. Esta dirección preferencial está establecida por la colocación de espejos reflectantes dentro de una cavidad óptica llamada cavidad resonante. Así el número de fotones no normales (perpendiculares) a los espejos escaparan. Entonces el número de fotones que viajan a lo largo del eje entre los dos espejos se incrementa y ocurre el fenómeno LASER 5

6 Volvamos al grafico de emisión estimulada y es ahí que Einstein pudo explicar el hecho de que la emisión aumenta con el número de fotones que se encuentra en una cavidad resonante. Supongamos que la suma de todas las poblaciones es N= N2+N1 Este sistema de átomos o moléculas se halla dentro de una cavidad resonante, por lo tanto la energía presente de los fotones será (E 2 -E 1 ) =hγ E2 N2 E1 N1 De acuerdo a lo descripto por el modelo de Bohr, los sistemas emitirán fotones al ir del estado E 2 absorberán fotones si van del estado E 1 E 2. E 1 ó bien Entonces como dijimos se distinguen 2 procesos o fenómenos: La emisión que hace crecer el N de fotones y que será proporcional al N de átomos N 2 que están en condiciones de emitir se denomina emisión espontanea La absorción que hace decrecer el N de fotones y que será proporcional al N de átomos N 1 que están en condiciones de absorber fotones y además es proporcional a la densidad de energía hγ,ya que hay mayor absorción cuanto mayor es hγ Einstein supuso que además de la emisión espontanea debía existir otra emisión que el llamó estimulada y que debería ser proporcional a N 2, numero de átomos en condiciones de emitir y además proporcional a hγ. Entonces cuanto mayor sea la energía hγ que se disponga en una cavidad mayor será la emisión estimulada. De esta forma Einstein pudo explicar (en teoría) el hecho que la emisión aumenta con el número de fotones que contiene una cavidad. Cuando el átomo en el estado E 2 es atacado por un fotón de energía (E 2 -E 1 ) =hγ puede descender al nivel E 1 y el 2 fotón que emite acompañara al 1 fotón. Hay así una multiplicación de fotones, ya que uno de estos dos puede volver a repetir el proceso otra vez con otro átomo que se encuentre en E 2 y esto es lo que se denomina amplificación de la radiación por emisión estimulada. Cuanto mas poblado este el nivel E 2 mayor será la posibilidad de amplificar la radiación. Por eso es necesario lograr una mayor población en E 2 que en E 1 Si se toma en cuenta que un fotón puede ser descripto también como una onda asociada, es importante señalar las principales características de la emisión estimulada. En efecto las ondas que poseen la misma frecuencia o sea la misma longitud de onda (λ) se suponen que están en fase, es decir que se suman. Además salen en la misma dirección y con el mismo plano de vibración o sea con la misma polarización. La emisión espontanea sigue existiendo pero es tan insignificante frente a la emisión estimulada que la1 se verá como ruido frente a la otra. Es decir es muy débil. ANTES DESPUES Absorción estimulada hλ E 1 E 1 E 0 E 0 6

7 Emisión espontanea E 1 E 1 hλ E 0 E 0 hλ Emisión estimulada 2 hλ E 1 E 1 E 0 E 0 Nos queda por describir el proceso de Inversión de población de electrones. Prácticamente hablando, el proceso de emisión estimulada no produciría una muy eficiente o aún notable amplificación de la luz, a menos que ocurra una condición denominada INVERSION DE POBLACION. Si solo 2 de varios millones de átomos están en estado excitado, las chances de que ocurra la emisión estimulada son infinitamente pequeñas. Cuanto mayor es el porcentaje de átomos excitados, mayor es la probabilidad de que ocurra la emisión estimulada. En el estado normal de la materia, la población de electrones será tal que la mayoría de los electrones residen en el estado basal o los mas bajos niveles energéticos, dejando los niveles superiores despoblados (Ver grafico) E 1 E 1 E 2 E 2 E b E b NORMAL INVERTIDO Cuando los electrones son excitados y llenan estos niveles superiores, llega un punto en que existe mayor cantidad de átomos excitados que no excitados, en este caso se dice que la población esta invertida. Si la radiación es luz, se crea el LASER y la mejor definición la dio Theodor Maimann, científico de la Hughes Aircraft Company de California en 1960 que dirigió un rayo de luz excitando a un cristal de rubí dentro de una cavidad resonante. Por lo tanto no vamos a analizar otras definiciones más o manos complicadas. Pero al ser el LASER una fuente de luz,es interesante ver que lo diferencia de otras fuentes de luz tal como el sol por ejemplo o las lámparas (bombillas) Un LASER se diseña para que la radiación emitida posea características tales como la intensidad, direccionalidad, pureza de color en muy alto grado. Estas propiedades son importantes y sorprendentes y por eso se los utiliza en varas aplicaciones y campos tan disimiles como metrología, medicina comunicaciones etc. Generalmente todos vimos el rayo color rojo de un pequeño laser de HeNe (helio-neón) de muy baja potencia que ha sido apuntado hacia un blanco distante muchos metros incluso Km. Si miramos en la dirección de la fuente, o sea en la dirección del haz (de frente a él) nos llamara la atención el brillo que la luz posee. Nos sorprende que si movemos levemente la cabeza hacia uno u otro lado pero siempre mirando a la fuente de luz 7

8 la seguimos viendo. Lo que queremos significar es que si no miramos en la dirección de la fuente dejamos de ver el rayo. Por otra parte si miramos a una bombilla eléctrica o al sol por más que movamos la cabeza para un lado u otro incluso si interponemos la mano a una distancia frente a nuestros ojos vemos casi la misma intensidad. Esto de debe a que la luz de la lámpara (sol) sale en todas direcciones (es omnidireccional) y la del LASER no. Esta fuente de luz es blanca o sea que es la suma de todos los colores del arco iris. Si necesitamos disponer de luz de un color determinado más o menos puro lo que hacemos es interponer un filtro rojo, azul, amarillo, etc. Un LASER emite luz pura, de un solo color sin necesidad de interponer ningún filtro y esa pureza de color es enormemente superior a la que puede suministrar cualquier filtro conocido. Así el laser va a estar compuesto por 3 partes 1. El material que se utiliza para provocar sobre el la radiación laser 2. La excitación de dicho material depende de este. 3. La cavidad resonante o espejos que van colocados en los extremos de esta. Los materiales utilizados hasta el presente son muy variados y pueden ser sólidos, líquido y gaseosos. Dentro de los sólidos como se dijo el Rubí fue el primero. Ahora se utiliza el rubi sintetico que es no es mas que oxido de aluminio dopado con cromo en un porcentaje conocido. Este elemento químico creado artificialmente es el que lasea. Otro de estado sólido es el neodimio (tierra rara) que en bajo porcentaje se adiciona a un vidrio para manejarlo mejor. Los líquidos son material coloreado como los utilizados en tintorería pero con una pureza superior disuelto en solventes. De ahí el nombre de líquidos. Ej. Rodaminas disueltas en alcohol. Por ultimo los láseres gaseosos son muy utilizados entre los que encontramos el helio, neón, argón, kriptón, xenón y los moleculares como el Co 2 o dióxido de carbono, el monóxido de carbono, nitrógeno molecular. Normalmente se utilizan mezclas de gases pero el que esta en mayor proporción o sea el dominante es el que lleva el nombre del laser. En cuanto a la excitación diremos que un líquido se excita con un fuerte destello luminoso de luz ultra violeta o una lámpara flash igual a las utilizadas en fotografía. Los gases se excitan eléctricamente y los sólidos con destello de luz blanca. Existen otras formas mas sofisticadas como la térmica, la química, la nuclear y la expansión de gases. Veamos una cavidad resonante: En los extremos de la cavidad resonante colocamos unos espejos origen de la emisión estimulada y que enunciara Einstein. El material que genera esta radiación también es amplificado y cuando atraviesa todo el material saldría al exterior si no fuera por los espejos que la devuelven al material y que es nuevamente atravesado. La radiación vuelve a amplificarse y sale por el otro extremo del material donde también hay un espejo así hasta que solo una parte del rayo atraviesa el espejo dado que este posee solo el 98% de reflectancia. Por lo tanto con solo el 2% de lo que tenemos adentro de la cavidad o resonador obtenemos el famoso rayo Laser, pero también parte de la radiación es devuelta por este espejo, es decir que va y viene o sea OSCILA. Se ahí que el laser no es ni más ni menos que un oscilador de luz por emisión estimulada de la radiación. 8

9 Componentes principales: 1.Cavidad resonante 2. Energía externa bombeada para estimular el láser 3. Espejo reflectante al 100% 4. Espejo reflectante al 99% 5. Emisión del rayo láser El sistema de bombeo imparte energía a los átomos o moléculas dentro de la cavidad resonante capacitándolas para puedan ascender a un nivel de excitación, creando la inversión de población. La cavidad resonante El láser produce un tipo muy especial de luz. Podemos imaginárnoslo como una supe linterna. Sin embargo, la luz procedente de un láser se diferencia de la de una linterna en cuatro aspectos básicos: 1. La luz láser es intensa. No obstante, sólo ciertos láseres son potentes. Aunque lo parezca, no se trata de una contradicción. La intensidad es una medida de la potencia por unidad de superficie, e incluso los láseres que emiten sólo algunos mili vatios son capaces de producir una elevada intensidad en un rayo de un milímetro de diámetro. En realidad, su intensidad puede ser igual a la de la luz del sol. Cualquier lámpara ordinaria emite una cantidad de luz muy superior a la de un pequeño láser, pero esparcida por toda la sala. Algunos láseres pueden producir muchos miles de vatios continuamente; otros son capaces de producir billones de vatios en un impulso cuya duración es tan sólo la mil millonésima parte de un segundo. 2. El haz del láser es muy estrecho y no se dispersa como los demás haces de luz. Esta cualidad se denomina direccionalidad. Entonces la direccionalidad de un laser se expresa en términos del ángulo total de divergencia del haz el cual es el doble del ángulo que el borde exterior del haz hace con el centro del mismo. Este ángulo provee la información de cuanto se abre el haz una vez que s emitido por el laser. Para un laser de He-Ne la divergencia es del orden de 1 mili-radian o sea que un laser crece 1 mm por metro. Esta divergencia se la puede mejorar colocando un sistema focal conformado por lentes logrando una focalización cuasi puntual. Se sabe que ni la luz de un potente foco logra desplazarse muy lejos: si se enfoca hacia el firmamento, su rayo parece desvanecerse de inmediato. El haz de luz comienza a esparcirse en el momento en que sale del foco, hasta alcanzar tal grado de dispersión que llega a perder su utilidad. Sin embargo, se ha logrado reflejar el haz de un láser de pocos vatios de potencia sobre la luna y su luz era todavía lo suficientemente brillante para verla desde la tierra. Uno de los primeros haces láser que se disparó contra la luna en 1962 sólo llegó a dispersarse cuatro kilómetros sobre la superficie lunar. No está mal si se considera que se había desplazado cuatrocientos mil kilómetros! 3. La luz láser es coherente. Esto significa que todas las ondas luminosas procedentes de un láser se acoplan ordenadamente entre sí. Una luz corriente, como la procedente de una bombilla, genera ondas luminosas que comienzan en diferentes momentos y se desplazan en direcciones diversas. Algo parecido a lo que ocurre cuando se arroja un puñado de piedrecitas en un lago. Lo único que se crean son pequeñas salpicaduras y algunas ondulaciones. Ahora bien, si se arrojan las mismas piedrecitas una a una con una frecuencia exactamente regular y justo en el mismo sitio, puede generarse una ola en el agua de mayor magnitud. Así actúa un láser, y esta propiedad especial puede tener diversas utilidades. Dicho de otro modo, una bombilla o un foco son como escopetas de cartuchos, mientras que un láser equivale a una ametralladora. 4. Los láseres producen luz de un solo color, o para decirlo técnicamente, su luz es monocromática. La luz común contiene todos los colores de la luz visible (es decir, el espectro), que combinados se convierten en 9

10 blanco. El haz de luz láser ha sido producido en todos los colores del arco iris (si bien el más común es el rojo), y también en muchos tipos de luz invisible; pero un láser determinado sólo puede emitir única y exclusivamente un solo color. Existen láseres sintonizables que pueden ser ajustados para producir diversos colores, pero incluso éstos no pueden emitir más que un color único en un momento dado. Determinados láseres, pueden emitir varias frecuencias monocromáticas al mismo tiempo, pero no un espectro continuo que contenga todos los colores de la luz visible como pueda hacerlo una bombilla. Además, existen numerosos láseres que proyectan luz invisible, como la infrarroja y la ultravioleta. Brillo y brillo espectral Es posible determinar y comparar el brillo del sol y el de un pequeño laser de HeNe. Los valores que se obtienen dan como resultado que el laser es 100 veces más brillante que el sol. Ahora bien si comparamos para las mismas fuentes el brillo espectral o sea el brillo por ancho de banda de luz visible emitida y si consideramos que el sol tiene un ancho de banda de 300 nm (desde nm) y que el laser de He Ne tiene un ancho de banda de 0,2 nm observamos que el pequeño laser de He Ne es 1 millón de veces superior. Ningún laser de 1 mw iluminará como lo hace el sol, pero si lo que se desea es una fuente de luz monocromática, colimada, compacta, intensa, el laser es único. El enorme brillo espectral hace que sea necesario colocarse anteojos protectores de seguridad estudiados de acuerdo a la fuente luminosa para que nuestra retina no sea lastimada. LASERES SEMICONDUCTORES Se los conoce también con el nombre de láseres de juntura o diodos laser y no son más que una forma altamente especializada de un diodo. Hay actualmente 2 dispositivos que se usan para generar luz en sistemas de comunicaciones por fibra óptica. El llamado LED (light emitted diode) y el ILD (injection laser diode) o diodo laser de inyección. Ambos se fabrican con materiales semiconductores y tienen ventajas y desventajas. 1 DIODO LASER: Un diodo laser es simplemente una unión p-n fabricado con in material semiconductor como el AIGaAs (Arseniuro de aluminio y Galio, ó el GaAsP (Arseniuro fosfuro de Galio) Si representamos en coordenadas tensión-corriente el comportamiento de diodos construidos con distintos materiales veremos que la tensión umbral es distinta para cada caso. Ese comportamiento es indicativo de la existencia de una barrera de potencial propia de cada estructura o sea que es necesario entregar a los electrones una cierta cantidad de energía extra para que pueda funcionar. Como sabemos la energía extra debe ser liberada y hay 2 mecanismos para ello. Uno es generación de calor y la otra emisión de luz. Para los materiales descriptos antes la emisión de luz es el mecanismo dominante. De este modo se tienen dispositivos que emiten luz (visible o infrarroja) ante el paso de corriente, sin elevación sensible de su temperatura. Los LED emiten luz por emisión espontanea, o sea la recombinación de electrones laguna conocida por nosotros. Cuando tiene polarización directa los portadores minoritarios se inyectan a través de la unión p-n. Una vez atravesada se recombinan con los portadores mayoritarios y desprenden energía en forma de luz. Cómo? Bueno debido a que se eligieron ciertos materiales radiativos (NO RADIACTIVOS), esto es que producen fotones. Cabe aclarar que los fotones viajan a la velocidad de la luz pero en reposo no tienen masa. En los diodos de germanio y silicio (que son los más usados en electrónica) el proceso es no radiativo y no se generan fotones. La banda prohibida que se usa para fabricar un LED determina el color de la luz que emite. Para producir LED se forma semiconductores con materiales cuyos átomos poseen de 3 a 5 electrones de valencia, así de acuerdo a la agrupación de materiales emitirán en diferentes longitudes de onda. 10

11 Material Long de onda (λ) nm AlGaInP GaInP 670 GaAlAs AsGa 904 InGaAs 980 InGaAsP InGaAsSb Al=Aluminio,Ga=Galio, In=Indio,P=Fosforo,As=Arsénico Estos diodos emisores de luz son muy utilizados por todos nosotros y como ejemplo tenemos los display numéricos de color rojo de algunos relojes y calculadoras, otros de color verde o amarillo son de GaP. Algunos controles remotos de TV contienen LEDs infrarrojos de AsGa. Pero la luz emitida por este tipo de LEDs es radiación incoherente esto es que cada electrón emite su exceso de energía en forma de un fotón en un instante al azar, no correlacionado con la emisión de los que lo rodean. Pero este mecanismo es estimulable, esto es, que si se cumplen algunas condiciones, un electrón que aún no ha emitido puede ser inducido a hacerlo al llegarle la radiación emitida por algún otro. De esta manera se puede generar un fenómeno de avalancha, en el que la emisión de un primer electrón dispara una des excitación súbita del conjunto que es el efecto laser- La condición principal que debe atenderse es que la radiación emitida quede al menos parcialmente confinada en una región flanqueada por superficies reflectantes, de modo que la luz recorra de ida y vuelta un gran numero de veces la zona activa. Tenemos LEDs de homounion y heterounion Los de homounion están formados por una unión p-n compuestas por dos mezclas distintas de igual tipo de átomos. Las estructuras mas sencillas de LEDs son las de homounion y crecimiento epitaxial que son dispositivos semiconductores de un solo compuesto.los LED de crecimiento epitaxial se fabrican generalmente con arseniuro de galio dopado con silicio que emite en la banda de 940 nm y la potencia promedio es de 2 mw(3dbm) a 100 ma de corriente directa. Emite luz en todas direcciones y en consecuencia solo una pequeña fracción del total de luz producida se acopla a la fibra. Además la relación de electricidad convertida en luz es muy baja. Se los denomina emisores superficiales. Los LED de emisión plana producen más o menos 500µW a 900 nm. La principal desventaja de los LED de homounion es la no direccionalidad de la luz emitida. Es por eso que no se lo utiliza como fuente luminosa para sistemas de fibra óptica Estructura LED de homounion de Arseniuro de Galio dopado con silicio rayos de luz emitidos Capa epitaxial p Capa epitaxial n sustrato tipo n Difusión plana Región p difundida Sustrato tipo n LED de heterounión Se los fabrica con material tipo p de un conjunto de átomos y material tipo n de otro conjunto. Están dispuestos en capas de manera que se amplia el efecto de concentración. Así se produce un dispositivo que 11

12 confina electrones, las lagunas y el haz de luz en un área mucho menor. La luz se emite desde los bordes u orillas del material. Se los llama emisores de borde. Poseen las siguientes ventajas respecto a los homounion 1. El incremento de densidad de corriente genera una mancha luminosa mas brillante. 2. La menor área emisora facilita acoplar la luz emitida a una fibra 3. La pequeña área efectiva tiene menor capacidad (capacitancia) lo que facilita su uso a mayores velocidades. El gráfico a) muestra la potencia de salida en función de la corriente directa aplicada. Se puede ver que la potencia de salida varía linealmente dentro de un amplio rango de corriente de entrada (desde 0,5 mw a 20 ma hasta 3,4 mw a 140 ma). La figura b) muestra la potencia de salida en función de la temperatura. La Potencia de salida tiene una variación inversa respecto a la temperatura dentro del intervalo de -40 C a 80 C. La fig. c) nos da la pot. Relativa de salida en función de λ y como se observa en el ejemplo se da para 825 nm aprox. potencia de salida (mw) Potencia de salida en relacion con la T a 25 C Potencia relativa de salida ,2 1,1 1,0 0,90 0,8 1 0,8 0, Corriente directa (ma) Temperatura en C 12

13 0,4 0, Long de onda λ (nm) Para las aplicaciones prácticas de comunicaciones se requieren velocidades de datos mayores que 100 Mbps. Por ese motivo se creo un diodo especial llamado LED de pozo grabado. Se trata de un LED de superficie emisora. Este tipo de LED emite en luz en muchas direcciones y ayuda a concentrar la luz emitida en un área muy pequeña. Se le pueden agregar lentes en el domo, sobre la superficie emisora para dirigir el haz hacia una dirección. La construcción es más costosa pero permite acoplar muy bien a una fibra óptica. RAYOS EMITIDOS Metal GaAs tipo n(sustrato) AlGaAs tipo n (ventana) AlGaAs tipo p (activo) AlGaAs tipo p (confinamiento) AlGaAs tipo p (contacto) SiO2 LED emisores de Borde: Fue desarrollado por la RCA. Este tipo de LED de superficie emisora emite una distribución más direccional de luz que el de superficie. La fabricación se parece a los planos pero la superficie emisora es una banda más que un área circular confinada. La luz se emite de una banda activa y forma un haz elíptico. Los LED de superficie se utilizan con más frecuencia que los LED de borde porque emiten mas luz, sin embargo las perdidas por acoplamiento son mayores y poseen un menor ancho de banda. La potencia luminosa radiante que emite un LED es una función lineal de la corriente directa que pasa por el dispositivo. Diodo LASER de Inyección (ILD) Se parece al LED, de hecho por debajo de cierta corriente umbral se comporta como un LED. Por encima de la corriente umbral oscila y produce la emisión LASER La figura muestra las características típicas de un ILD Terminal eléctrico (+) Extremo pulido Extremo pulido Emisión de radiación Tipo p+ Emisión de radiación Tipo p - Tipo n - Terminal eléctrico (-) Al pasar la corriente por un diodo p-n polarizado en directa, emite luz por emisión espontanea, a una frecuencia determinada por la banda prohibida del material semiconductor. Cuando se llega a determinado 13

14 valor de corriente, la cantidad de portadores minoritarios y de fotones que se producen en ambos lados de la unión p-n llega a un valor en el que comienzan a chocar con portadores minoritarios ya excitados. Esto causa un aumento en el nivel de energía de ionización y hace que los portadores sean inestables. Al suceder eso un portador normal se recombinan con un portador del tipo contrario a un valor de energía que es mayor que su valor normal antes del choque. En el proceso se crean 2 fotones, uno estimulado por el otro. En esencia se realiza una ganancia en la cantidad de fotones. Para que esto suceda se requiere una gran corriente directa que pueda suministrar muchos portadores. La fabricación de un ILD es similar a un LED con la diferencia que sus extremos están pulidos con acabado tipo espejo de modo de poder reflejar los fotones en la zona activa y al comenzar su viaje de ida y vuelta estimulan a electrones libres, así comienza la estimulación de la emisión. La potencia luminosa radiante de salida la vemos a continuación en el grafico. Se aprecia que se obtiene muy poca potencia de salida hasta que se llega a la corriente de umbral, entonces se produce la estimulación. Superada la barrera umbral la potencia óptica de salida crece en forma drástica con pequeños aumentos de corriente de activación. Potencia relativa de salida (mw) C 30 C 35 C Corriente de activacion (ma) Ventajas de los ILD 1. Como los ILD tienen una distribución de irradiación más dirigida, es mas fácil de acoplar la luz a una fibra óptica.esto reduce perdidas por acoplamiento y permite usar fibras mas pequeñas. 2. La potencia radiante de salida de un ILD es mayor que la del LED. Una potencia normales de 5 mw (7dBm) en comparación con los 0,5 mw (-3dBm) para los LED.Esto permite que los ILD proporcionen mayor potencia de activación. y usarlos es sistemas que funcionen a través de mayores distancias. 3. Los ILD se pueden usar a mayor frecuencia de bits que los LEDs 4. Los ILD generan luz monocromática, lo cual reduce la dispersión cromática o de longitudes de onda. Desventajas 1. Son mas caros, cuestan aprox. 10 veces mas que los LED 2. Como los ILD trabajan con mayores potencias, suelen tener menor vida útil que los LED 3. Los ILD dependen mucho más de la temperatura que los LED. 14

15 Utilización Comunicaciones de datos por fibra óptica. Lectores de CDs, DVDs, Blu-rays, HD DVDs, entre otros. Interconexiones ópticas entre circuitos integrados. Impresoras láser. Escáneres o digitalizadores. Punteros láser. Sensores. Armas láser Espectro de emisión de un diodo LED y un diodo ILD ILD LED Potencia emitida Desde el punto de vista de la continuidad de emisión se pueden tener láseres continuos y láseres pulsados. Laser continuo: son los que funcionan a régimen permanente como una lámpara. Su uso es poco frecuente y reservado a aplicaciones especificas de comunicaciones e informática debido al gran costo. La potencia típica. Máxima es del orden de decenas de mw. Como comparación la potencia de un foquito de linterna es del orden de cientos de mw. Laser pulsado: Son los de uso corriente. Se los excita con pulsos cortos de corriente elevada, de forma que emiten durante un instante y luego tienen un periodo de inactividad comparativamente largo. Durante ese periodo disipan el calor desarrollado durante el pulso. Una relación típica encendido/apagado es de 1/1000. La potencia emitida durante el momento de encendido (potencia de pico) es aprox. de decenas de watts resultando la potencia media (dado que la emisión ocurre solo en una milésima de tiempo) del orden de las decenas de mw. DETECTORES DE LUZ En los receptores de comunicaciones con fibra óptica hay 2 dispositivos que se utilizan para detectar la energía luminosa y son los Diodos PIN y los APD.(fotodiodo de avalancha) Diodos PIN : es un tipo p-tipo n intrínseco, comúnmente se trata de un fotodiodo de capa de agotamiento y es el mas utilizado como detector de luz en sistemas de comunicaciones con fibra óptica. La construcción básica de un diodo PIN es una capa ligeramente imperfecta (casi pura o intrínseca) de material semiconductor tipo n con uniones de contacto tipo n y p. La luz entra al dispositivo por una ventana muy pequeña y cae sobre el 15

16 material intrínseco vacio de la portadora. El material intrínseco esta fabricado con material grueso para que la mayoría de los fotones que entran en el dispositivo sean absorbidos por esta capa-el diodo PIN trabajo en forma opuesta a un diodo LED. La mayoría de los fotones se absorben por electrones en la banda de valencia del material intrínseco. Cuando los fotones son absorbidos agregan suficiente energía para generar portadores en la región de agotamiento o vaciamiento y permiten que la corriente fluya por el dispositivo. Construcción de un diodo PIN 16

17 Láser de punto cuántico Un láser de punto cuántico es un láser semiconductor que usa puntos cuánticos como el medio activo en su región de emisión de luz. Debido al apretado confinamiento de los portadores de carga en los puntos cuánticos, exhiben una estructura electrónica similar a la de los átomos. Los láseres fabricados con medios tan activos exhiben un comportamiento bastante cercano a los láseres de gas, pero no presentan algunos de los inconvenientes asociados a los tradicionales láseres de semiconductores basados en medios activos sólidos o de pozo cuántico. Se han observado mejoras en la modulación de ancho de banda, umbral de excitación, ruido relativo de intensidad, factor de realce de ancho de línea y estabilidad con la temperatura. La región activa del punto cuántico puede diseñarse para operar con diferentes longitudes de onda variando el tamaño y la composición del punto cuántico. Esto permite que este tipo de láser pueda fabricarse para operar en longitudes de onda imposibles de obtenerse con la tecnología de láser semiconductor actual. Recientemente, los dispositivos basados en medios activos de punto cuántico están encontrando aplicaciones comerciales en la medicina (bisturí láser, tomografía de coherencia óptica), tecnologías de exhibición de imágenes (proyección, TV láser), espectroscopia y telecomunicaciones. Con esta tecnología, se ha desarrollado un láser de punto cuántico de hasta 10 Gbit/s para uso en comunicaciones ópticas de datos y redes ópticas que es insensible a la fluctuación de temperatura. El láser es capaz de operar a alta velocidad en longitudes de onda de 1.3 µm, en un rango de temperaturas de entre 20 C y 70 C. Trabaja en sistemas ópticos de transmisión de datos, LANs ópticos y sistemas de Red de Área Metropolitana. En comparación al desempeño de los láseres de pozo cuántico tensado convencionales del pasado, el nuevo láser de punto cuántico alcanza una estabilidad ante la temperatura perceptiblemente más alta. 17

18 DVD El DVD es un disco óptico de almacenamiento de datos cuyo estándar surgió en Sus siglas corresponden con Digital Versatile Disc en inglés (disco versátil digital). En sus inicios, la v intermedia hacía referencia a video (digital videodisk), debido a su desarrollo como reemplazo del formato VHS para la distribución de vídeo a los hogares. Unidad de DVD: el nombre de este dispositivo hace referencia a la multitud de maneras en las que se almacenan los datos: DVD-ROM (dispositivo de lectura únicamente), DVD-R y DVD+R (solo pueden escribirse una vez), DVD-RW y DVD+RW (permiten grabar y borrar las veces que se quiera). También difieren en la capacidad de almacenamiento de cada uno de los tipos. A comienzo de los años 1990, dos estándares de almacenamiento óptico de alta densidad estaban desarrollándose: uno era el multimedia compact disc (MMCD), apoyado por Philips y Sony; el otro era el super density disc (SD), apoyado por Toshiba, Time-Warner, Matsushita Electric, Hitachi, Mitsubishi Electric, Pioneer, Thomson y JVC. Philips y Sony abandonaron su formato MMCD y acordaron con Toshiba adoptar el SD, pero con una modificación: la adopción del EFM Plus de Philips, creado por Kees Immink, que a pesar de ser un 6% menos eficiente que el sistema de codificación de Toshiba (de ahí que la capacidad sea de 4,7 GB en lugar del los 5 GB del SD original), cuenta con la gran ventaja de que EFM Plus posee gran resistencia a los daños físicos en el disco, como arañazos o huellas. El resultado fue la creación del Consorcio del DVD, fundada por las compañías anteriores, y la especificación de la versión 1.5 del DVD, anunciada en 1995 y finalizada en septiembre de En mayo de 1997, el consorcio DVD (DVD Consortium) fue reemplazado por el foro DVD (DVD Forum) con los siguientes miembros: Hitachi, Ltd. Matsushita Electric Industrial Co. Ltd. Mitsubishi Electric Corporation Pioneer Electronic Corporation Royal Philips Electronics N.V. Sony Corporation Thompson Time Warner Inc. Toshiba Corporation Victor Company of Japan, Ltd. (JVC) Información técnica Los DVD se dividen en dos categorías: los de capa simple y los de doble capa. Los DVD de capa simple puede guardar hasta 4,7 gigabytes según los fabricantes en base decimal, y aproximadamente 4,38 gigabytes en base binaria o gibibytes (se lo conoce como DVD-5), alrededor de siete veces más que un CD estándar. Emplea un láser de lectura con una longitud de onda de 650 nm (en el caso de los CD, es de 780 nm) y una apertura numérica de 0,6 (frente a los 0,45 del CD), la resolución de lectura se incrementa en un factor de 1,65. Esto es aplicable en dos dimensiones, así que la densidad de datos física real se incrementa en un factor de 3,3. El DVD usa un método de codificación más eficiente en la capa física: los sistemas de detección y corrección de errores utilizados en el CD, como la comprobación de redundancia cíclica CRC, la codificación Reed Solomon - Product Code, (RS-PC), así como la codificación de línea Eight-to-Fourteen Modulation, la cual fue reemplazada por una versión más eficiente, EFM Plus, con las mismas características que el EFM clásico. El subcódigo de CD 18

19 fue eliminado. Como resultado, el formato DVD es un 47% más eficiente que el CD-ROM, que usa una tercera capa de corrección de errores. A diferencia de los discos compactos, donde el sonido (CDDA) se guarda de manera fundamentalmente distinta que los datos, un DVD correctamente creado siempre contendrá datos siguiendo los sistemas de archivos UDF e ISO El disco puede tener una o dos caras, y una o dos capas de datos por cada cara; el número de caras y capas determina la capacidad del disco. Los formatos de dos caras apenas se utilizan. Tipos de DVD Los DVD se pueden clasificar: Según su contenido: o DVD-Video: Películas (vídeo y audio). o DVD-Audio: Audio de alta fidelidad. Por ejemplo: 24 bits por muestra, una velocidad de [cita requerida] muestreo de Hz y un rango dinámico de 144 db o DVD-Data: Todo tipo de datos. Según su capacidad de re grabado: o DVD-ROM: Sólo lectura, manufacturado con prensa. o DVD-R y DVD+R: Grabable una sola vez. La diferencia entre los tipos +R y -R radica en la forma de grabación y de codificación de la información. En los +R los agujeros son 1 lógicos mientras que en los R los agujeros son 0 lógicos. o DVD-RW y DVD+RW: Regrabable. o DVD-RAM: Regrabable de acceso aleatorio. Lleva a cabo una comprobación de la integridad de los datos siempre activa tras completar la escritura. o DVD+R DL: Grabable una sola vez de doble capa o El DVD-ROM almacena desde 4,7 GB hasta 17 GB. Según su número de capas o caras: o DVD-5: una cara, capa simple; 4,7 GB o 4,38 GiB - Discos DVD±R/RW. o DVD-9: una cara, capa doble; 8,5 GB o 7,92 GiB - Discos DVD+R DL. La grabación de doble capa permite a los discos DVD-R y los DVD+RW almacenar significativamente más datos, hasta 8,5 GB por disco, comparado con los 4,7 GB que permiten los discos de una capa. Los DVD-R DL (dual layer) fueron desarrollados para DVD Forum por Pioneer Corporation. DVD+R DL fue desarrollado para el DVD+R Alliance por Philips y Mitsubishi Kagaku Media. Un disco de doble capa difiere de un DVD convencional en que emplea una segunda capa física ubicada en el interior del disco. Una unidad lectora con capacidad de doble capa accede a la segunda capa proyectando el láser a través de la primera capa semitransparente. El mecanismo de cambio de capa en algunos DVD puede conllevar una pausa de hasta un par de segundos. Los discos grabables soportan esta tecnología manteniendo compatibilidad con algunos reproductores de DVD y unidades DVD-ROM. Muchos grabadores de DVD soportan la tecnología de doble capa, y su precio es comparable con las unidades de una capa, aunque el medio continúa siendo considerablemente más caro. o DVD-10: dos caras, capa simple en ambas; 9,4 GB o 8,75 GiB - Discos DVD±R/RW. o DVD-14: dos caras, capa doble en una, capa simple en la otra; 13,3 GB o 12,3 GiB - Raramente utilizado. o DVD-18: dos caras, capa doble en ambas; 17,1 GB o 15,9 GiB - Discos DVD+R. También existen DVD de 8 cm (no confundir con mini DVD, que son CD que contienen información de tipo DVD video) que tienen una capacidad de 1,5 GB. 19

20 El DVD Forum creó los estándares oficiales DVD-ROM/R/RW/RAM, y Alliance creó los estándares DVD+R/RW para evitar pagar la licencia al DVD Forum. Dado que los discos DVD+R/RW no forman parte de los estándares oficiales, no muestran el logotipo «DVD». En lugar de ello, llevan el logotipo «RW» incluso aunque sean discos que solo puedan grabarse una vez, lo que ha suscitado cierta polémica en algunos sectores que lo consideran publicidad engañosa, además de confundir a los usuarios. La mayoría de grabadoras de DVD nuevas pueden grabar en ambos formatos y llevan ambos logotipos «+RW» y «DVD-R/RW». Velocidad Evolución del precio del DVD. Costo por MB en DVD. Costo de los dispositivos de lectura y escritura en DVD. La velocidad de transferencia de datos de una unidad DVD está dada en múltiplos de 1350 KB/s. 20