Universidad de Aquino Bolivia Facultad de Ciencias y Tecnología Ingeniería de Telecomunicaciones Sistemas de Transmisión por Fibra Óptica Informe Trabajo de Exposición Fuentes Ópticas Grupo n 2 Choque Chura Daniel Aurelio Betancourt Maldonado Carolina 8 de octubre de 2013
Índice 1. Introducción 2 2. El Fotón 2 3. Generación de la luz 2 3.1. Transición estimulada........................................ 2 3.2. Transición espontanea........................................ 3 4. Efecto Fotoeléctrico 3 5. Fuente Óptica 4 5.1. Caracteristicas............................................ 4 6. Tipos de Fuentes Ópticas 4 6.1. Diodo emisor de luz (LED) (Light Emitting Diode)........................ 5 6.1.1. LED de emisión lateral o por el borde(eled)....................... 5 6.1.2. LED súper luminiscente(sld)............................... 5 6.1.3. LED por emisión superficial(sled)............................ 6 6.2. LASER (Light Amplification by Simulated Emission of Radiation)............... 6 6.2.1. Fabry Perot.......................................... 7 6.2.2. VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)..................... 7 6.2.3. DFB (Distributed FeedBack Laser)............................. 8 6.2.4. DBR (Didtributed Bragg Reflector)............................ 8 7. Comparación LED ILD 8 7.1. Emisión de luz............................................ 8 7.2. Respuesta de emisión......................................... 9 7.3. Diferencias.............................................. 9 7.3.1. Ventajas de los ILD sobre los LED............................. 9 7.3.2. Desventajas de los ILD sobre los LED........................... 9 1
1. Introducción El cable de fibra óptica supone un apropiado sustituto a los cables de pares debido a su mayor capacidad y su más pequeño diámetro. El diámetro es una característica importante cuando las vías de comunicación resultan congestionadas y deben ser aumentadas para contener más cables portadores. Sustituyendo un único cable de cobre por fibra óptica se puede, generalmente obtener la suficiente capacidad para prevenir los incrementos de vías de comunicación en el futuro. Conceptualmente, y en determinados aspectos, un sistema por fibra óptica es similar a un sistema de microondas. Las principales excepciones son: el medio de transmisión para las ondas luminosas, es una pequeña guía-onda de vidrio, el lugar del espacio libre, y que la transmisión tiene lugar a frecuencias ópticas, que tienen una longitud de onda más corta que las microondas. Mientras que a las microondas se las designa generalmente por su banda de frecuencias, a las ondas luminosas se la referencia por su longitud de onda, que está relacionada con la frecuencia mediante la expresión: λ = c f En este trabajo mencionaran y explicaran los fenómenos que forman parte de las fuentes ópticas después se analizara la composición de las fuentes ópticas, tanto su función, clasificación y características. 2. El Fotón Un fotón es una oscilación o una partícula, una conjunción de ondas, y un paquete de energía electromagnética, tiene una masa invariante cero, y viaja en el vacío con una velocidad constante C. Como todos los cuantos, el fotón presenta tanto propiedades corpusculares como ondulatorias ( dualidad onda-corpúsculo ). Se comporta como una onda en fenómenos como la refracción que tiene lugar en una lente, o en la cancelación por interferencia destructiva de ondas reflejadas; sin embargo, se comporta como una partícula cuando interacciona con la materia para transferir una cantidad fija de energía. 3. Generación de la luz 3.1. Transición estimulada Para que se produzca un fotón de luz, es necesario que alguna partícula ajena al átomo choque con uno de sus electrones en movimiento. Ese choque provocará que éste se excite, haciendo que abandone su correspondiente órbita y pase a ocupar, por breves instantes, otra órbita de un nivel superior de energía y más alejada del núcleo del átomo al cual pertenece. 2
3.2. Transición espontanea La reacción inmediata del núcleo del átomo será atraer el electrón para incorporarlo de nuevo a su órbita original. En el preciso instante que el electrón regresa a su órbita, la energía extra que adquirió al pasar de un nivel inferior a otro nivel superior de energía u órbita más externa, la libera en forma de fotón de luz. La generación de luz en fuentes ópticas usuales para uso en sistemas de comunicación por fibra óptica envuelve la transición de un electrón que está en un estado excitado E2 (mayor nivel de energía) para un estado menos excitado E1 (menor nivel de energía). Este tipo de generación es un proceso discretizado más comúnmente llamado de proceso cuántico. La liberación de energía es realizada en la forma de fotones. El fotón es el menor valor de energía de un proceso cuántico. Sin embargo, la energía de un fotón depende de la longitud de onda de la radiación asociado al fotón. 4. Efecto Fotoeléctrico El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material cuando se hace incidir sobre la radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general). A veces se incluyen en el término otros tipos de interacción entre la luz y la materia: Fotoconductividad: es el aumento de la conductividad eléctrica de la materia o en diodos provocada por la luz. Descubierta por Willoughby Smith en el selenio hacia la mitad del siglo XIX Efecto fotovoltaico: transformación parcial de la energía luminosa en energía eléctrica. La primera célula solar fue fabricada por Charles Fritts en 1884 3
5. Fuente Óptica Las fuentes ópticas son componentes activos en un sistema de comunicaciones por fibra óptica, cuya función es convertir la energía eléctrica o corriente en energía óptica, de manera eficiente de modo que permita que la salida de luz sea efectivamente inyectada o acoplada dentro de la fibra óptica. 5.1. Caracteristicas Dimensiones compatibles con el de la fibra. Linealidad en la característica de conversión electro óptica. Gran capacidad de modulación. Modulación directa. Suficiente potencia óptica de salida y eficiencia de acoplamiento. Funcionamiento estable con la temperatura. Confiabilidad. (Tiempo de vida útil). Bajo consumo de energía. Economía. Tamaño y configuración óptimas para el acoplo de luz en la fibra. Relación lineal entre potencia emitida y corriente inyectada. Emitir luz a longitudes de onda idóneas para la fibra. 6. Tipos de Fuentes Ópticas El laser de semiconductores (diodo laser) y el LED (diodo electroluminiscente) se usan universalmente como fuentes luminosas en los sistemas de comunicaciones ópticas, debido a ningún otro tipo de fuente óptica puede modularse directamente a las altas velocidades de transmisión requerida, con tan baja excitación y tan baja salida. La elección entre el laser y el LED es función del sistema: para anchos de banda grandes y largos enlaces, el laser ofrece un mejor rendimiento. Para distancias cortas y medias con anchos de banda escasos, en donde la baja potencia de salida, la respuesta en frecuencia o la gran anchura espectral no sean factores limitativos, se suele escoger el LED, ya que tanto el circuito de ataque como el de control son más sencillos. El proceso de generación de la luz en un LED se basa en la recombinación de electrones y huecos en una unión p-n, lo que provoca emisión de fotones. A este efecto se le llama electroluminiscencia. La longitud de onda de la luz emitida depende de la diferencia de energía E entre los niveles energéticos 4
6.1. Diodo emisor de luz (LED) (Light Emitting Diode) Básicamente existen tres clases de diodos LED utilizados en los sistemas de transmisión de fibra óptica. Los LEDs se utiliza generalmente en sistemas de comunicación con: Fibras multimodo de apertura numérica alta. Secciones de regeneración pequeña o recorridos cortos como en redes locales o tendidas en pequeñas áreas. Baja velocidades de modulación, función del ancho de banda permitido. 6.1.1. LED de emisión lateral o por el borde(eled) Este tipo de LED presenta una superficie emisora de luz seméjate a una tira estrecha en el mismo plano de la unión p-n, consiguiendo así que la luz radie de forma transversal haciéndose mas directiva y las pérdidas de acoplamiento a la fibra sean menores. 6.1.2. LED súper luminiscente(sld) Su particularidad radica en que una de sus caras por donde va a salir la luz es tallada y por tiene una cierta capacidad de reflexión, la otra cara no es tallada, de manera que el efecto laser no se presenta pero hay una cierta amplificación. 5
6.1.3. LED por emisión superficial(sled) Este tipo de LED fue desarrollado para aplicaciones con necesidades altas de velocidad de transmisión (mayores a 100Mbps). Este tipo de LED emite luz en muchas direcciones pero concentrando la luz emitida en un área muy pequeña, lo que se conoce como diodo de Burrus. Son más eficientes que los anteriores y permiten que se acople más potencia en la fibra óptica. Sin embargo, son más costosos y difíciles de elaborar. 6.2. LASER (Light Amplification by Simulated Emission of Radiation) Son Fuentes de luz coherente de emisión estimulada con espejos semireflejantes formando una cavidad resonante, la cual sirve para realizar la retroalimentación óptica, así como el elemento de selectividad (igual fase y frecuencia). El laser se caracteriza por emitir haces luminosos estimulados y por lo tanto coherentes, lo que produce que se aumente la potencia de salida, disminuyan los anchos espectrales y el haz de luz sea mucho mas directivo. El proceso de generación de luz es similar al del LED. Las diferencias radican en el volumen de generación, 6
más pequeño en los diodos laser, y en una alta concentración de portadores inyectados. Se consigue así una ganancia óptica alta y un espectro muy estrecho que da lugar a luz coherente. La pastilla láser suele tener una longitud de 300nm, con dos caras cuidadosamente cortadas en ambos extremos a modo de espejos. El origen de la misión de fotones es la recombinación directa electrón-hueco en la capa activa. La luz de este tipo de láser puede acoplarse fácilmente a una fibra multimodo juntando simplemente a tope un extremo de la raya del laser contra el extremo del núcleo de la fibra, que tienen un diámetro mucho mayor. También puede acoplarse a una fibra monomodo. El problema principal consiste en que la unión laser tiende a ser tan fina que la luz diverge al salir del extremo. Este problema puede solucionarse mediante una diminuta lente cilíndrica que reoriente la luz a lo largo de la fibra. 6.2.1. Fabry Perot Este diodo laser está constituido por dos espejos en los extremos de la guía, constituyéndose en una cavidad resonante en donde la luz es reflejada y vuelta a reflejar entre los dos espejos a ambos lados del semiconductor, presenta algo de inestabilidad en la potencia de salida y se utiliza para la transmisión de datos en el retorno. 6.2.2. VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) El laser emisor de superficie de cavidad vertical posee espejos resonadores arriba y abajo de la capa activa, lo que produce que la luz resuene perpendicular a la juntura y emerja a través de un área circular en la superficie. Posee menor corriente de umbral a la cual se presenta el efecto laser, además consume poca potencia y tiene mayor tiempo de vida útil. Se usa comúnmente con la fibra multimodo. 7
6.2.3. DFB (Distributed FeedBack Laser) En el laser de retroalimentación distribuida la red de difracción se distribuye a lo largo de todo el medio activo. La longitud de onda de la red determina la longitud de onda emitida por el laser, en una línea muy fina del espectro. 6.2.4. DBR (Didtributed Bragg Reflector) El reflector de Bragg distribuido, en este dispositivo la red de difracción esta fuera de la zona activa, en donde no circula corriente (parte pasiva de la cavidad). Los diodos DFB y DBR son utilizados en fibras monomodo y son sensibles a variaciones de temperatura. 7. Comparación LED ILD 7.1. Emisión de luz 8
7.2. Respuesta de emisión 7.3. Diferencias 7.3.1. Ventajas de los ILD sobre los LED Como los ILD tienen una dirección de irradiación mas dirigida, es más fácil de acoplar su luz en una fibra óptica. Esto reduce las perdidas por acoplamiento y permite usar fibras más pequeñas. La potencia de salida radiante de un ILD es mayor que la de un LED. Una potencia normal de salida de un ILD en 5mW (7dBm), en comparación con 0.5mW (-3dBm) para lo LED. Eso permite que los ILD proporcionen una mayor potencia de activación, y usarlos en sistemas que funcionen a través de mayores distancias. Los ILD se pueden usar a frecuencias mayores de bits que los LED. Los ILD generan luz monocromática, lo cual reduce la dispersión cromática o longitudes de onda. 7.3.2. Desventajas de los ILD sobre los LED Los ILD cuestan normalmente 10 veces más que los LED. Como los ILD trabajan con mayores potencias, suelen tener duraciones menores que las de los LED. Los ILD dependen más de la temperatura que los LED. 9