Sistemas de comunicaciones vía Fibra Óptica II

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1 Sistemas de comunicaciones vía Fibra Óptica II UNIVERSIDAD TECNOLOGICAS DE LA MIXTECA INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA NOVENO SEMESTRE DICIEMBRE 2005 M.C. MARIBEL TELLO BELLO

2 TRANSMISORES DE FIBRA ÓPTICA

3 TRANSMISORES DE FIBRA ÓPTICA Su función es convertir una señal de entrada eléctrica en una señal óptica y confinar esta dentro de la fibra óptica El componente más importante de un TX óptico es la fuente óptica. Existen dos clases de fuentes de luz para los SCVFO: LED Diodo Láser Ambos están hechos de Diodos semiconductores de Unión p-n Las características de estas fuentes ópticas son: Alta potencia óptica (Alta eficiencia) Área de emisión pequeña compatible con el tamaño del núcleo de la fibra Rangos de longitudes de onda compatibles con las de las fibras Ancho de línea pequeño Tiempo de respuesta corto Estabilidad Posibilidad de modulación directa a frecuencias relativamente altas

4 PARÁMETROS Potencia Eficiencia Cuántica De potencia De acoplamiento Total Señal eléctrica de entrada FUENT E FIBRA

5 Las eficiencias tienen valores diferentes para LED s y Diodos Láser. La eficiencia de acoplamiento se calcula bajo 2 suposiciones que dependen tanto de la fuente como de la fibra Ejemplo: Una fuente de luz lambertiana con una potencia total de salida de 1.2mW. Si el sistema cumple con las suposiciones anteriores encuentre la eficiencia de acoplamiento para una AN=0.2 y 0.4

6 PARÁMETROS Longitud de Onda Ancho de línea Modulación Tiempo de respuesta Estabilidad Seguridad

7 Ejemplo: El tiempo de subida de un LED es de 25ns Encuentre: a) El ancho de banda b) La razón de datos eléctrica cuando usamos un código RZ

8 SEMICONDUCTORES Son materiales que tienen un número moderado de portadores de carga libres para moverse bajo la influencia de un campo eléctrico En las estructuras cristalinas de semiconductores los electrones están unidos por enlaces covalentes. Sin embargo estos pueden ser exitados por energía térmica. Las propiedades de conducción de estos materiales se pueden explicar con los diagramas de bandas de energía:

9 E c Banda de conducción E g E v Banda de valencia La conductividad de los materiales es proporcional al número de electrones en la banda de valencia y los huecos en la banda de conducción Por el principio de exclusión de la mecánica quántica, expresamos los niveles de energía disponibles por: N( E) N( E) 4 3 h 4 3 h 2 / 3 2m E - E e 2 / / m E - E J m h v 1/ 2 c Que es el número de estados por metro cúbico por joule. La densidad de electrones o concentración de portadores es la integral de las dos ecuaciones anteriores, dando como resultado: J 1 m 3

10 n p N N c c ( Ec - E exp kt exp ( E f - kt f E v ) ) m m 3 3 N N c c 2mekT 2 2 h 2mh kt 2 2 h El producto np define la densidad de portadores intrínsecos: 2 E g np ni N cn v exp( ) kt En un material semiconductor puro sin impurezas, también llamado intrínseco n=p=n i. Los materiales semiconductores extrínsecos utilizados entre otras cosas para la fuentes ópticas, son materiales intrínsecos dopados con impurezas Si la impureza es un elemento con 5 electrones en su capa de valencia, se genera un material tipo n, donde la densidad de electrones en la banda de conducción es n=p+n D, y np=n i2. Para los casos prácticos n=n D y p=n i2 /N D En este caso los portadores mayoritarios son los electrónes y los portadores minoritarios son los huecos. En semiconductores E g =1eV. 3/ 2 3/ 2

11 UNIÓN P-N Se forma cuando regiones adyacentes en un material cristalino intrínseco son dopadas con impurezas donadores y aceptores para formar regiones contiguas p y n. Los portadores mayoritarios de ambos materiales tienden a difundirse en la vecindad de la unión En donde se da la recombinación de electrones y huecos reduciendo el número de portadores En equilibrio, el voltaje a través de la unión es el potencial de difusión V d. 0 región n N D -N A región p V V d T N DN A V T In ( V ) 2 n kt q i -v j

12 Un diodo de unión p-n de AsGa, tiene los siguientes niveles de impurezas N A =10 23 m -3 y N D =10 22 m -3. Calcule: a) la concentración de portadores mayoritarios y minoritarios en las regiones p y n b) El potencial de difusión. El potencial V es una barrera de potencial que se opone a la transferencia de electrones a través de la unión. Cuando la unión está en equilibrio térmico la barrera de energía es qv d. Cuando la unión tiene voltaje de polarización directa V, la barrera de energía disminuye q(v d -V) Cuando es invertida la polaridad del voltaje aplicado el ancho de la región de agotamiento se ensancha y la corriente se reduce a una pequeña corriente de saturación inversa E c E f electrones huecos qv o qv E v

13 COMPORTAMIENTO FUERA DEL EQUILIBRIO Un cambio en la energía fuera o dentro del semiconductor perturbara el equilibrio térmico. Si la perturbación es transitoria, las condiciones tienden a restablecerse una vez que la perturbación desaparezca Si es permanente, nuevas condiciones de equilibrio se establecen. Las principales perturbaciones son Absorción de radiación electromagnética Flujo de corriente en polarización directa del diodo

14 Bajo condiciones normales todos los materiales absorben luz más que emitirla Los átomos pueden estar en dos estados posible En reposo (E 1 ) Excitado (E 2 ) Entre estos dos niveles de energía ocurren 2 procesos diferentes: Absorción Emisión Absorción: Si la energía del fotón hf de la luz incidente de frecuencia f es: E g = E 2 - E 1, el átomo absorbe al fotón, y el átomo cambia de estado. E 2 E 1

15 E 2 E 1 E 1 Emisión: Los átomos tienden a regresar a su estado de reposo o de mínima energía por lo tanto liberan la energía en forma de luz, Esto ocurre bajo dos procesos diferentes: Emisión espontánea: Los fotones son emitidos en direcciones aleatorias sin relaciones de fase entre ellos (LED) Emisión estimulada: Es iniciada por un fotón existente, los fotones emitidos son iguales en energía, frecuencia y en dirección de propagación (Diodo láser)

16 Ejemplo: Un material con una banda prohibida de 1.2 ev se utiliza para generar fotones, encuentre la frecuencia y la longitud de onda de la luz emitida.

17 Diodo emisor de luz (LED) Emisión espontánea Potencia de salida de LED Eficiencia cuántica interna Eficiencia cuántica externa Extremadamente pequeña, alrededor de 1% Eficiencia cuántica es la multiplicación de las eficiencias tanto interna como externa I Qhc 1.24 QI P0 Q hf I ( W ) q q Q Sustrat o Área activa nr nr rr Fibra Óptica Aire

18 Su funcionamiento se basa en dos premisas: Causar un flujo de corriente en la región donde se produce la luz Acoplar la luz producida a una interfaz de salida. Existen dos tipos de estructura basados en la forma de colectar la luz que emana de la región activa: LED de emisión superficial (BURRUS) Tiene eficiencia cuántica mayor Tamaño comparable con el de la fibra LED de emisión lateral La intensidad de salida es mayor y el ancho del haz es menor Medidas son de 10X300m Ambos tipos pueden ser de uniones simples p-n o heteroestructuras

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20 MATERIALES E g debe ser apto para generar luz a determinada longitud de onda Indice de refracción y coeficiente de recombinación GaAs, GaP, InAs, Inp, elementos de la tabla periódica de los grupos III y V

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23 CARACTERÍSTICAS DE FRECUENCIA (LED) La frecuencia de radiación del LED se determina por la energía de radiación de los fotones.

24 Un LED de AsGa opera a una temperatura ambiente con una eficiencia cuántica total de =0.2. Cuando la corriente del diodo es de 50mA, encuentre la longitud de onda, el ancho espectral y la potencia optica de salida. Un LED InGaAsP con una banda prohibida de 0.9 ev a 320ºK, es usado como TX en un sistema PCM. La dispersicón de la fibra es de 30ps/km.nm. Encuentre la dispersión total para 50km de fibra. Si reducimos la temperatura a 77 ºK cual es el factor de reducción de la dispersión.

25 La onda de luz del LED no tiene una frecuencia central sinusoidal bien definida Los fotones emitidos son independientes unos de otros No tienen frecuencias y fases bien definidas Se usa Modulación en intensidad La potencia de salida es linealmente proporcional a la corriente de entrada hfi hc I P0 I 1.24 ( W ) q q ( m ) Se suma la señal de corriente variante a la de polarización. Fuente de luz importante para SCFO

26 El LED responde a un disturbio en la densidad de portadores a una razón máxima, que está ligada a una constante de tiempo. Hay una frecuencia máxima correspondiente para una modulación sinusoidal de intensidad. El ancho de banda de la modulación es: w r Para PCM la mínima duración del pulso debe ser de dos a tres veces el tiempo de decaimiento. T 2.5 r Entonces las máxima razón 1 de datos es: R ( 3dB) 1 1 T 2.5 r

27 HETEROESTRUCTURAS Es posible mejorar las características de dispositivos controlando mejor las propiedades de los materiales utilizados para fabricar los LED Si se utilizan 2 o más materiales diferentes para formar un dispositivo semiconductor a cristal se les llama de heteroestructura. Los materiales utilizados deben tener las mismas dimensiones físicas de red cristalina, para que el cristal resultante no presente tensión mecánica entre los dos materiales, pero sus propiedades eléctricas y electrónicas son diferentes.

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