Caracterización de un diodo Láser

Transcripción

1 Práctica 6 Caracterización de un diodo Láser OBJETIVO Obtener la curva característica del diodo Láser Observar el efecto de la temperatura sobre este dispositivo Obtener el patrón de irradiancia del ILD. INTRODUCCIÓN Como ya se mencionó en la practica anterior, una de las fuentes utilizadas en sistemas de comunicación vía fibra óptica es le ILD por sus siglas en ingles diodo de inyección láser. El ILD se parece al LED, incluso por debajo de un valor de corriente de umbral, ambos funcionan de manera muy parecida, por encima de esta corriente se produce el efecto de emisión láser. La palabra Láser significa: Amplificación de luz por emisión estimulada de radiación (Light Amplification by Stimulated Emisión of Radiation) 1. Para que el efecto Láser pueda producirse en el semiconductor es necesario: - Que se produzca una inversión de población: La cual se realiza por la operación de bombeo mediante otro dispositivo, que consiste, para un semiconductor; en poner suficientes electrones en la banda de conducción. - Disponer de una cavidad resonante para que haya amplificación: Una cavidad resonante se encuentra constituida por dos espejos planos paralelos, en los cuales las ondas de luz (fotones) viajan de ida y regreso hasta alcanzar la inversión de población y poder ser amplificados. Cuando esto sucede, la luz láser se emite a través de uno de los espejos semitransparentes En la figura 6.1 se muestra la potencia óptica de salida del diodo láser. Se observa que se obtiene muy poca potencia de salida hasta que se llega a la corriente de umbral, es entonces cuando se produce la estimulación. Después de este punto la potencia óptica de salida aumente substancialmente 1 Emisión estimulada: se produce cuando un átomo en estado excitado recibe un estímulo externo que lo lleva a emitir fotones y así retornar a un estado menos excitado. El estimulo, en cuestión, proviene de la llegada de un fotón con energía similar a la diferencia de energía entre los dos estados. Los fotones así emitidos por el átomo estimulado poseen fase, energía y dirección similares a las del fotón externo que les dio origen. La emisión estimulada descrita es la raíz de muchas de las características de la luz láser.

2 Fig.6. 1 Curva de emisión de un ILD. La fabricación de un ILD es muy parecida a la de un LED, y la cavidad resonante la forman puliendo los extremos del dispositivo con un acabado de espejo. Así los fotones generados por emisión espontánea se confinan en esta cavidad y al reflejarse de un lado a otro, estimulan a los electrones libres para recombinarse con huecos y generar otros dos fotones. Estos fotones emiten luz coherente, es decir, monocromática (longitud espectral muy pequeña) y muy directiva. El pequeño valor de la anchura espectral permite una baja dispersión cromática en la fibra. En la figura 6.2 observamos la gráfica de potencia emitida contra longitud de onda, y puede observarse que el ancho de línea es angosto, comparado con los valores típicos de un LED. Esto representa una de las ventajas del ILD sobre el LED. Fig.6. 2 Anchura espectral de un ILD. Otra característica importante del diodo láser es la dependencia de la potencia de emisión con la temperatura, lo que obliga a incorporar en el modulo transmisor circuitos de control de la corriente de polarización, o bien mantener el láser en un ambiente térmicamente estable, pues las variaciones de temperatura provocan variaciones en la potencia óptica de salida, lo que representa una desventaja para este dispositivo.

3 Fig.6. 3 Potencia de salida en función de corriente de entrada y temperatura de un ILD. La distribución de radiación de un diodo láser sale de un extremo de su estructura en forma de un haz angosto y concentrado, esto la hace más dirigida que la de un LED. En la Tabla I se presentan las ventajas y desventajas más importantes del ILD. VENTAJAS Por su distribución de irradiancia más dirigido, permite un mejor acoplamiento a la fibra óptica, reduciendo las pérdidas por esta causa y permite el uso de fibras pequeñas La potencia de salida es mayor que la del LED, lo que permite mayores distancias de transmisión y mayor potencia de activación. Se utilizan para frecuencias de bits mayores que los LEDs Al generar luz monocromática reducen la dispersión cromática o de longitudes de onda. DESVENTAJAS El precio normalmente es 10 veces mayor que el de los LED s El tiempo de vida es mucho menor que el del LED La temperatura es un factor extremadamente importante para garantizar un funcionamiento correcto. PROCEDIMIENTO EQUIPO Y MATERIAL REQUERIDO Modelo Description Descripción Cantidad SG-22-2 Breadboard, 2 ft x 2 ft Tablero de trabajo C Optical Power Meter Medidor de potencia óptica 1 505B Laser Diode Driver (200/500 Controlador del diodo laser 1 FK ma) (200/500 ma) Laser Diode Diodo láser 1 Termómetro Termómetro ambiental 1 BASES TEORICAS NECESARIAS

4 Para la mejor comprensión del funcionamiento de los DIODOS LÁSER y el desarrollo experimental de esta práctica se sugiere que el alumno tenga conocimiento de los siguientes temas: - Funcionamiento del diodo semiconductor láser. - Tipos diodos láser para Fibra óptica - Hoja de especificaciones del diodo láser FK Experimento I. Obtener una gráfica de la potencia óptica emitida por la fuente de luz láser contra la corriente inyectada. 1. Conecte el láser a su controlador de corriente y posiciónelo en el Poste de 2" modelo SP-2 sobre la mesa de sujeción. 2. Coloque el medidor de potencia lo más cercano posible a la salida del láser, ver figura 6.4. Para modificar la corriente de polarización del láser, es suficiente con manipular la perilla del controlador respectivo en un intervalo de corriente permitido por las fuentes de luz, que es de 0 a 120 ma. Fig.6.4. Arreglo para medir la potencia del FK-ILD. 3. Para la operación de los controladores es preciso que se encuentren con el modo I activado. Una vez confirmado que dicho modo se encuentra activado, se realiza el ajuste de la corriente mediante la perilla correspondiente. 4. Para tener el rayo de luz a la salida del láser es indispensable que la llave de seguridad se encuentre encendida (ON), de la misma manera que el botón output, ver figura 4. De esta manera, al cambiar la corriente de polarización se toma la medida correspondiente y se estructura una gráfica con los datos obtenidos. Figura 4. Panel frontal del controlador del diodo laser.

5 5. Como las mediciones del láser no son precisas se recomienda poner el controlador del láser a 120 ma y dejar que se estabilice, aproximadamente 20 min, después ir disminuyendo la corriente y tomando las mediciones. Mida la temperatura, varíe la corriente de entrada, complete la siguiente tabla y dibuje la gráfica resultante. Temperatura1 =. I(mA) P(mW) Experimento II. Observar las variaciones en la potencia de salida al variar la temperatura. 6. Repita el experimento 5 pero ahora varíe la temperatura que rodea al ILD, es importante mantenerla lo más estable posible (recomendación: hacer una medición a diferentes horas del día, de preferencia a la temperatura más alta y baja posible). Temperatura2 = 21 I(mA) P(mW)

6 7. En la misma gráfica dibuje los valores a diferentes temperaturas para observar mejor la variación de los mismos. Experimento III. Obtener el patrón de radiación del ILD. 8. Monte la plataforma giratoria. 9. Conteste las siguientes preguntas Cómo considera que es la dependencia con la temperatura del fotoemisor? Que puede comentar con respecto de la linealidad? Según las hojas de especificaciones Cuál es el ancho de banda óptico y eléctrico de este dispositivo?

7 A que longitud de onda debe trabajar un sistema de comunicaciones por fibra, si utilizamos este ILD como fuente? Describa un método para medir el tiempo de respuesta del ILD, y cuales serían las limitaciones del experimento. 10. Realice la CONCLUSION de esta práctica. BIBLIOGRAFÍA [1] Newport Corporation. PROJECTS IN FIBER OPTICS Applications Handbook [2] SISTEMAS DE COMUNICACIONES ELECTORONICAS; Cuarta Edición; Wayne Tomasi; Impreso en México; Prentice Hall, [3] INTRODUCTION TO OPTICAL FIBER COMMUNICATIONS SYSTEMS; Jones William B. JR; USA; Oxford University Press,1988. [3] FIBER OPTICS COMMUNICATION AND OTHER APPLICATIONS; Henry Zanger, Cynthia Zanger; USA; Macmillan Publishing Company,1991. [5] SISTEMAS DE COMUNICACIONES ELECTORONICAS; Cuarta Edición; Wayne Tomasi; Impreso en México; Prentice Hall, 2003.