Fuentes de luz y el transmisor óptico
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Comunicaciones Ópticas Tema 2 Fuentes de luz y el transmisor óptico Objetivos • Conocer el papel del transmisor en un sistema de C.O. y su arquitectura • Valorar el impacto de las prestaciones del transmisor y de la fuente de luz en el comportamiento del sistema • Analizar comparativamente el funcionamiento de las fuentes tipo LED y láser, destacando: Potencia óptica emitida, espectro, modulación, … Problemas: temperatura, ruido, degradación, ... • Conocer estructuras avanzadas y sus aplicaciones: DFB, MQW, VCSEL, ... • Seleccionar adecuadamente las diferentes arquitecturas de transmisor y tipos de fuentes de luz para una determinada aplicación 2 El transmisor óptico  Objetivos Índice 1. Introducción • • • Función del transmisor Emisión espontánea y estimulada Materiales para fuentes de luz 2. Diodo LED • • • Fundamentos Características electro-ópticas y parámetros relevantes Estructuras avanzadas 3. Diodo Láser • • • Fundamentos Características electro-ópticas y parámetros relevantes Estructuras avanzadas 4. Transmisor: arquitecturas, selección y ejemplos 2 El transmisor óptico  Índice Introducción al transmisor • Función del transmisor: conversión electro-óptica • Características deseables: Potencia óptica adecuada Tamaño y forma adecuados al medio de transmisión (*) Emisión a la λ más adecuada: mínima atenuación y dispersión en el canal Anchura espectral pequeña Modulación sin distorsión y a altas frecuencias Larga duración y bajo precio • Elemento clave: fuente de luz 2 El transmisor óptico  Introducción Hay 3 Mecanismos de interacción luz-materia Electrones Absorción. Estados energéticos permitidos en los átomos Emisión espontánea Emisión estimulada Fotones 2 El transmisor óptico  Introducción Tipos de emisión • Emisión espontánea Una fuente de energía externa provoca saltos hacia arriba de los electrones para caer después. Si la fuente de energía es calor: Incandescencia • NO ADECUADA para CO: sólo depende de la Tª, no se puede modular, gran anchura espectral… Otras fuentes de energía : Luminiscencia • Más adecuada para CO: se puede modular, anchura espectral media, la λ de emisión depende del material. • Ejemplo: diodo LED controlador por corriente eléctrica • Emisión estimulada Ideal: fenómeno muy rápido (gran velocidad de modulación), monocromático (pequeña anchura espectral), permite amplificación óptica, … Ejemplo: diodo Láser semiconductor (LD) 2 El transmisor óptico  Introducción Emisión de luz en sólidos • Las propiedades químicas, electrónicas y ópticas de un material están dadas por sus electrones exteriores • Hay niveles permitidos y prohibidos • Se aplican los principios de mínima energía y de exclusión de Pauli • Gran interacción entre átomos: bandas ancha de energía en lugar de estados definidos Ö teoría de bandas 2 El transmisor óptico  Introducción Un parámetro importante es la “anchura del gap” 2 El transmisor óptico  Introducción La anchura del gap determina la longitud de onda de emisión • La anchura del gap depende del material Conductores: no hay gap Semiconductores: Eg ≈ 1 eV Aislantes: Eg ≈ 5 eV • La emisión/absorción de luz se debe a saltos entre la banda de conducción y valencia: Eg ≈ h ν ⇒ λ ≈ h c / Eg Ejemplo: Eg=1,2eV Ö λ=1μm 2 El transmisor óptico  Introducción Terminología electrónica • Emisión: aniquilación de un par electrón-hueco ó recombinación • Absorción: generación de un par electrón-hueco 2 El transmisor óptico  Introducción En estos procesos se conserva • La energía • El momento E = h ⋅ ν = h ⋅ω r r r r P = h⋅ k o P = m⋅ v E = energía [J] 1 eV = 1,6⋅10-19 J h = cte. de Planck (6.63⋅10-34 J⋅s) ν = frecuencia óptica = c / λ [Hz] r P = momento (vector) [Kg⋅m/s] v k = vector de onda r 2π k = λ m = masa “efectiva” de la partícula [Kg] v = velocidad “efectiva” de la partícula [m/s] • Los diagramas energía-movimiento ayudan a entender las consecuencias 2 El transmisor óptico  Introducción En un material de gap DIRECTO la emisión es probable y eficiente Problema: el momento de un fotón es muy pequeño ¡No hay cambio de momento! 2 El transmisor óptico  Introducción En un material de gap INDIRECTO la emisión es improbable e ineficiente ¡El cambio de momento se traduce en calor! 2 El transmisor óptico  Introducción Materiales para fuentes de luz • Es determinante la anchura del gap (λ de emisión) y el tipo (directo/indirecto) • Se usan los mismo procesos que en microelectrónica Deposición de capas sobre un sustrato (oblea) Dopados p y n para formar uniones Pero con materiales nuevos y “raros” ¡tecnología en desarrollo! 2 El transmisor óptico  Introducción Materiales más utilizados • Arseniuro de Galio (AsGa) El primero (1955), ya no se usa, emite en λ=870nm (1ª ventana) • Arseniuro de Galio y aluminio (AsAlxGa1-x) Rango visible (570..870nm) modificando la mezcla • GaxIn1-xAsyP1-y Amplio rango de emisión, permite 2ª y 3ª ventana 2 El transmisor óptico  Introducción Nuevos materiales microestructurados • La teoría de bandas no es válida para dimensiones muy pequeñas (~nm) • Las propiedades dependen del material y de la estructura Ejemplo: Silicio “poroso” 2 El transmisor óptico  Introducción Índice 1. Introducción • • • Función del transmisor Emisión espontánea y estimulada Materiales para fuentes de luz 2. Diodo LED • • • Fundamentos Características electro-ópticas Estructuras avanzadas 3. Diodo Láser • • • Fundamentos Características electro-ópticas Estructuras avanzadas 4. Transmisor: arquitecturas, selección y ejemplos 2 El transmisor óptico  Índice Fundamentos del diodo LED • La emisión espontánea “en equilibrio térmico” es despreciable • El diodo LED es una estructura que fomenta la emisión eficiente mediante: Aporte de energía: inyección de corriente Aporte de electrones y huecos juntos: unión pn Polarización en directo Material adecuado 2 El transmisor óptico  Diodo LED Antes de formar la unión 2 El transmisor óptico  Diodo LED Unión p-n sin polarizar 2 El transmisor óptico  Diodo LED Unión p-n polarizada 2 El transmisor óptico  Diodo LED Características electroópticas • “Cantidad de luz” Potencia óptica emitida Parámetros de eficiencia Curva Potencia-Intensidad P Significa parámetro relevante del dispositivo • Directividad del haz emitido • Espectro de emisión Longitud de onda central Forma del espectro y anchura espectral • Modulación Pequeña señal: ancho de banda de modulación f3dB Gran señal: tiempos de conmutación (T10..90%) • Efecto de la temperatura 2 El transmisor óptico  Diodo LED La potencia óptica es proporcional a la corriente • Tasa de inyección de portadores R portadores I = q [ e − / s] • definiendo la eficiencia interna 6 474 8 I PGENERADA = h ⋅ν ⋅ ηint ⋅ q [W ] • y la eficiencia externa PEMITIDA I = ηext ⋅ ηint ⋅ hν ⋅ q 2 El transmisor óptico  Diodo LED Parámetros de eficiencia (“físicos”) • Eficiencia interna Se debe a que no todas las recombinaciones son radiativas (emiten luz) Depende inversamente de la temperatura • Eficiencia externa Reflexión en las caras Ángulo crítico Absorción del material Emisión hacia atrás 2 El transmisor óptico  Diodo LED Parámetros de eficiencia (“medibles”) • Responsividad (responsivity) P ℜ≡ Póptica emitida Ieléctrica inyectada hν = η ext ⋅ηint q [W/A] • Conversión de potencia (wall-plug efficiency) η wall − plug ≡ Póptica emitida Peléctrica inyectada 2 El transmisor óptico  Diodo LED [W/W] La curva Potencia-Intensidad es lineal (más o menos) P Parámetro: corriente máxima SATURACIÓN, debido fundamentalmente a la temperatura P 2 El transmisor óptico  Diodo LED La directividad del haz de luz es muy amplia • Un LED simple es una fuente “lambertiana” I opt (θ ) = I 0 cos (θ ) La eficiencia de acoplo en fibra es muy mala • θMAX > 30º P ηACOPLO < 1% Hay estructuras avanzadas para tratar de mejorarlo 2 El transmisor óptico  Diodo LED El espectro de emisión es ancho y con forma gausiana Δλ1/ 2 P σ λ = 2,355 P • Valores típicos: σλ = 20..30nm 2 El transmisor óptico  Diodo LED Modulación: un LED se comporta como un filtro paso bajo de 1er orden 1 H (ω ) = 1 + j ωτ El parámetro τ modela la respuesta del LED • El resto del circuito del transmisor también influye en la respuesta global Capacidades parásitas (unión pn, cápsula, …) Resto de la electrónica 2 El transmisor óptico  Diodo LED H RC (ω ) = 1 1 + j ω RC 1 H E CA (ω ) = 1 + j ωτ E CA La modulación en pequeña señal se caracteriza con f3dB • Disminuye la amplitud de la señal óptica al aumentar la frecuencia Ö frecuencia máxima ó ancho de banda de modulación f3dB El ico r t éc Óptico 1 H (ωm ) = 2 2 H (ωm ) = 1 2 ⇒ ⇒ ω3dB electrico ω3dB optico LED: f3dB < 1GHz 2 El transmisor óptico  Diodo LED = = 1 τc 3 τc P En gran señal se mide con los tiempos de subida t10..90% • El filtro paso-bajo estropea los flancos (los suaviza) Ö tiempos de subida 10..90% P Hay una relación entre el comportamiento en pequeña y gran señal: 0,35 f3dB = ΔT10..90% 2 El transmisor óptico  Diodo LED La temperatura afecta al comportamiento del LED • Al aumentar la Tª… Hay más recombinaciones no-radiativas Ö se reduce la potencia óptica emitida • ΔP/ΔT medido en %/ºC ó dB/ºC P Se ensanchan las bandas de energía Ö el espectro se ensancha La anchura del gap se reduce Ö el espectro se desplaza hacia la derecha ¡Puede estropearse el dispositivo! 2 El transmisor óptico  Diodo LED Estructuras simples • LED de emisión por superficie (sLED) • LED de emisión por el borde (eLED) 2 El transmisor óptico  Diodo LED Estructuras para la mejora del acoplo en fibra 2 El transmisor óptico  Diodo LED Índice 1. Introducción • • • Función del transmisor Emisión espontánea y estimulada Materiales para fuentes de luz 2. Diodo LED • • • Fundamentos Características electro-ópticas Estructuras avanzadas 3. Diodo Láser • • • Fundamentos Características electro-ópticas Estructuras avanzadas 4. Transmisor: arquitecturas, selección y ejemplos 2 El transmisor óptico  Índice Fundamentos del diodo Láser • La emisión espontánea “en equilibrio térmico” es despreciable Y la emisión estimulada, ¡1018 veces menor! (Einstein, 1917) • El diodo Láser es una estructura que fomenta la emisión estimulada eficiente mediante: Aporte de energía: inyección de corriente Aporte de electrones y huecos juntos: unión pn Polarización en directo Material adecuado Inversión de población Confinamiento óptico 2 El transmisor óptico  Diodo Láser Un material con Inversión de Población puede producir Emisión Estimulada h⋅ν<Eg Transparencia h⋅ν>EF-C-EF-V Ganancia 2 El transmisor óptico  Diodo Láser Absorción Pero la ganancia se produce en un rango pequeño de longitudes de onda • Si h·v < Eg Ö energía insuf. Ö transparencia • Si h·v > EFC-EFV Ö absorción • Se produce una curva lorentziana Ö curva de ganancia Anchura ~nm Depende de la corriente de inyección Se necesita una inyección mínima para G>1 Ö corriente umbral P 2 El transmisor óptico  Diodo Láser El confinamiento óptico es una realimentación para reforzar la E.E. • Unos espejos con reflectividad R1 y R2 devuelven parte de la luz a la unión pn Cavidad Fabry-Perot • Se aprovecha la luz que atraviesa ambos espejos Emisión hacia delante: viaja hacia el canal Emisión hacia atrás: se “fabrica” un fotodiodo para saber la cantidad de luz generada en cada momento 2 El transmisor óptico  Diodo Láser Las interferencias en la cavidad FP limitan las λ’s generadas • Sólo algunas longitudes de onda interfieren entre sí constructivamente Ö cumplen la “condición de fase” Ö modos longitudinales 9 9 8 m entero L λ = m m 2 ⋅n Índice de refracción • Sólo se genera luz a varias λ’s discretas dentro de la curva de ganancia del material 2 El transmisor óptico  Diodo Láser Características electroópticas • “Cantidad de luz” Potencia óptica emitida Parámetros de eficiencia Curva Potencia-Intensidad P Significa parámetro relevante del dispositivo • Directividad del haz emitido • Espectro de emisión Longitud de onda central Forma del espectro y anchura espectral • Modulación Pequeña señal: ancho de banda de modulación f3dB Gran señal: tiempos de conmutación (T10..90%) • Efecto de la temperatura • Otros problemas 2 El transmisor óptico  Diodo Láser Sólo hay emisión láser a partir de la corriente umbral Ith • Sólo se produce ganancia neta (emisión estimulada) a partir de un nivel de inyección Surge el concepto de corriente umbral Ith P Sólo hay emisión láser si I > Ith • Ya no pueden dividirse en dos la eficiencia Algunos fotones no consiguen salir … … ¡pero contribuyen a la emisión estimulada! • Se define la “eficiencia cuántica diferencial externa” ηD h ⋅ν P =η D ⋅ ⋅ (I − I th ) q ℜ P 2 El transmisor óptico  Diodo Láser La curva P-I de un diodo láser tiene tres tramos diferenciados ¡Zona útil! (a) Zona de funciona-miento como LED: No hay emisión estimulada (I<Ith) y sale poca luz (¡espejos!) Láser (c) Zona láser: sólo hay emisión estimulada. La pendiente de la recta es ℜ superLED LED 2 El transmisor óptico  Diodo Láser (b) Zona “superLED” hay parte de emisión estimulada: más luz El haz emitido es elíptico • Ángulos típicos: θ1=10..20º θ2=20..30º • El acoplo en fibra es algo mejor que un LED pero igualmente complejo 2 El transmisor óptico  Diodo Láser Espectro de un diodo láser FP • Es la suma de tres fenómenos: Emisión espontánea original Curva de ganancia en un rango más pequeño λ’s que sobreviven en la cavidad (Modos de la cavidad) 2 El transmisor óptico  Diodo Láser Anchura espectral de un láser Δλ1/ 2 σλ = 2,355 P P • El término “coherencia” está relacionado con la anchura espectral • Valores típicos: σλ = 1 .. 3nm 2 El transmisor óptico  Diodo Láser Espectro vs. Inyección 2 El transmisor óptico  Diodo Láser Espectro vs. Inyección 2 El transmisor óptico  Diodo Láser Espectro vs. Inyección 2 El transmisor óptico  Diodo Láser Espectro vs. Inyección 2 El transmisor óptico  Diodo Láser Espectro vs. Inyección 2 El transmisor óptico  Diodo Láser Modulación: un Láser se comporta como un filtro paso bajo de 2º orden N (ωm ) ω02 H (ωm ) = = 2 N (0) (ω0 − ωm2 ) + j β ωm β= I τ I th Los parámetros ω0 y τ modelan la respuesta del láser • El resto del circuito del transmisor también influye en la respuesta global Capacidades parásitas (unión pn, cápsula, …) Resto de la electrónica 2 El transmisor óptico  Diodo Láser H RC (ω ) = 1 1 + j ω RC 1 H E CA (ω ) = 1 + j ωτ E CA La modulación en pequeña señal se aproxima por un sistema de 1er orden • La respuesta es similar a un sistema de 1er orden, salvo por un “pico” de resonancia (parámetro ω0) Respuesta real Láser: f3dB ~ GHz P Aproximación 2 El transmisor óptico  Diodo Láser En gran señal aparecen dos fenómenos negativos Oscilación de relajación Tiempo de encendido ~ns • Solución: polarización constante un poco por encima de la Ith Ö corriente de bias 2 El transmisor óptico  Diodo Láser Aparece el parámetro de relación de extinción • Al inyectar la corriente de bias , la potencia óptica del “0” ya no es cero. • ¿Dónde está el problema? ¡se confunden con más facilidad los niveles lógicos! • Medida: “Relación de Extinción” P"0" RE ≡ −10 ⋅ log [dB] P"1" 2 El transmisor óptico  Diodo Láser La temperatura afecta MUCHO al comportamiento del Láser • Al aumentar la Tª… Se reduce la potencia óptica emitida • ΔP/ΔT medido en %/ºC ó dB/ºC P Aumentan la corriente umbral • ¡la corriente de bias aplicada puede ser insuficiente! La anchura del gap se reduce Ö el espectro se desplaza hacia la derecha • Δλ/ΔT medido en nm/ºC P ¡Puede estropearse el dispositivo! • Puede ser necesario un control de Tª 2 El transmisor óptico  Diodo Láser Otros problemas • Ruido de intensidad Son fluctuaciones aleatorias de la amplitud de la luz Medida: ruido de intensidad relativa (RIN) P ( t ) = P0 + ΔP ( t ) P ( ΔP ( t ) = 0) • Reflexiones externas (en el canal) Actúan como cavidades Ö inestabilidad del láser Soluciones: Estabilidad por diseño Conexiones ópticas en ángulo Dispositivo aislador 2 El transmisor óptico  Diodo Láser El fenómeno del chirping puede afectar las prestaciones en un sistema de comunicaciones • Origen: I (t ) ⇒ n(t ) ⇒ L λ =m 2n • Δλ/Δi medido en nm/mA • Soluciones: P peor relación de extinción no modular 2 El transmisor óptico  Diodo Láser La estructuras Fabry-Perot es la más simple • Heteroestructura simple Simple y barato, pero tiene espectro multimodo y diagrama elíptico 2 El transmisor óptico  Diodo Láser Hay interés por estructuras monofrecuencia • Ideas: Anchura de la curva de ganancia más pequeña • Depende del material ¡imposible! Modos más separados (que sólo uno coincida dentro de la curva de ganancia) • Depende de la distancia entre espejos L ¡difícil! Espejos que sólo reflejen una λ • Existen: redes de difracción = variaciones periódicas del índice 2 El transmisor óptico  Diodo Láser La más utilizada es la DFB Distributed FeedBack • Red de difracción (grating) cerca de la unión pn • Parámetros: Su anchura espectral se denomina también “anchura de línea” (linewidth) Algunos modos no se suprimen totalmente: parámetro SMSR (Side Mode Supression Ratio) P • Valor típico: 30dB 2 El transmisor óptico  Diodo Láser Estructuras VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser • Ventajas: Haz circular: mejor acoplo en fibra Se pueden probar con mucho menor coste 2 El transmisor óptico  Diodo Láser Estructuras de pozo cuántico (MQW) Multiple Quantum Well • Si las dimensiones son muy pequeñas (<10nm) la teoría de bandas no es válida • Ventajas: Niveles discretos Ö menor anchura espectral La λ de emisión depende de la geometría y no sólo del material Menor tamaño Ö mayor velocidad de modulación 2 El transmisor óptico  Diodo Láser Índice 1. Introducción • • • Función del transmisor Emisión espontánea y estimulada Materiales para fuentes de luz 2. Diodo LED • • • Fundamentos Características electro-ópticas Estructuras avanzadas 3. Diodo Láser • • • Fundamentos Características electro-ópticas Estructuras avanzadas 4. Transmisor: arquitecturas, selección y ejemplos 2 El transmisor óptico  Índice Arquitectura de un transmisor con modulación interna Sólo para láseres Sólo para algunos láseres 2 El transmisor óptico  Transmisor Arquitectura de un transmisor con modulación externa Ventajas: La velocidad de modulación puede ser mayor No hay chirping 2 El transmisor óptico  Transmisor Inconvenientes Dispositivo muy caro (se intenta integrar en la fuente) Suelen tener elevadas pérdidas de inserción Aplicaciones de los tx. basados en LED • En general Bajo coste Distancias cortas (<1Km) “Bajas” velocidades (<1Gbps) Fibras multimodo (sílice o plástico) • Ejemplos Redes de área local (FDDI, Gigabit ethernet, 802.11-IR, ...) Sistemas punto a punto de baja velocidad • En fibra: modems de fibra (RS232, Firewire®, ...) • No guiados: Irda Comunicaciones en vehículos Bucle de abonado 2 El transmisor óptico  Transmisor Aplicaciones de los tx. basados en Láser • En general Grandes prestaciones Distancias largas (>1Kms) Altas velocidades (>1Gbps) Fibras monomodo • Ejemplos Redes de área local y de gran área (10Gigabit Ethernet) Sistemas no guiados de alta velocidad/larga distancia Enlaces troncales de comunicaciones (telefonía, Internet) • SDH/Sonet 2 El transmisor óptico  Transmisor Ejemplos prácticos • Transmisor simple LED para puerto serie 2 El transmisor óptico  Transmisor Ejemplos prácticos • Transmisor Láser 2 El transmisor óptico  Transmisor Ejemplos prácticos • Transmisor no guiado de larga distancia 2 El transmisor óptico  Transmisor Ejemplos prácticos • Transmisor para LAN Gigabit Ethernet 2 El transmisor óptico  Transmisor Ejemplos prácticos • Transmisor para SDH/Sonet 2 El transmisor óptico  Transmisor
