LEDS Y LDS EN COMUNICACIONES ÓPTICAS

LEDS Y LDS EN COMUNICACIONES ÓPTICAS
Para que un dispositivo emisor de luz pueda emplearse para transmitir información se
necesita que cumpla unas serie de condiciones. Las más importantes son:
Los
•
que produzca un haz monocromático
•
que la radiación se pueda acoplar a la fibra óptica con facilidad,
•
que la potencia óptica se pueda modular por medios electrónicos
•
que la respuesta sea suficientemente rápida.
emisores
preferidos
en
Comunicaciones
Ópticas
guiadas
son
dispositivos
optoelectrónicos semiconductores que operan en el infrarrojo próximo, concretamente
diodos emisores de luz (LED) y diodos láser (LD).
En un bloque previo de apuntes se repasaron algunos aspectos de la teoría de SCs –unión
p-n, diagramas E-k, niveles y seudoniveles de Fermi– y su relación con los emisores. En
este bloque se van a dar por sabidos los conceptos mostrados allí, aunque se repasan
ciertos detalles adicionales. Posteriormente se introduce el fundamento de la emisión en
uniones p-n y se aplica a LEDs y LDs. Para éstos últimos se necesita además el
conocimiento previo del comportamiento de cavidades Fabry-Pérot y de la emisión
estimulada, que también se han presentado en bloques anteriores.
Figura 1.
La emisión de un LED se produce en la zona depletiva, donde existe abundancia de electrones y
huecos produciéndose abundantes recombinaciones. En el resto del diodo no hay suficientes
pares para que la tasa de recombinación sea significativa.
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EMISIÓN EN UNIONES p-n
Una unión p-n fuertemente dopada y polarizada en directa acumula abundantes electrones
y huecos en la zona depletiva, aumentando significativamente la tasa de recombinación
radiativa. Un LED (Fig. 1) es un diodo que emite una parte significativa de la energía de
recombinación e--h+ en forma de fotones (luz).
Gap directo e indirecto
No todos los materiales SC son adecuados para utilizarse como LEDs. Tan sólo aquellos
que poseen gap directo en un diagrama E-k (materiales III-V, por ejemplo) presentan tasas
de recombinación radiativa que compiten con las tasas no radiativas. La razón es que los
materiales de gap directo pueden recombinar sus pares e--h+ emitiendo simplemente un
fotón, mientras que los de gap indirecto deben absorber o emitir un fonón simultáneamente
a la emisión del fotón. Recuérdese que en una representación E-k, los fotones son eventos
(casi) verticales –gran intercambio de energía, poco momento– mientras que los fonones
son (casi) horizontales –gran intercambio de momento, poca energía–. En la figura 2 se
representan ambos casos, utilizando una aproximación parabólica del mínimo de la banda
de conducción y el máximo de la banda de valencia:
E = Ec +
h 2k 2
2mc
h 2k 2
E = Ev −
2mv
Figura 2.
en la banda de conducción y
{1}
en la banda de valencia
Los materiales de gap directo se pueden recombinar emitiendo un fotón. Los de gap indirecto
necesitan negociar simultáneamente un fotón y un fonón, proceso altamente improbable. Por ello
no sirven como emisores (aunque sí como detectores).
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siendo mc y mv las masas efectivas del electrón en BC y del hueco en BV respectivamente.
En la figura 2 se observan también las posiciones de los seudoniveles de Fermi de BV y
BC. En cada banda por separado, estos seudoniveles marcan la energía para la cual la
presencia de un electrón o un hueco son equiprobables. Las zonas coloreadas en BC y BV
marcan respectivamente el rango de energías en que predominan los e- en BC y los h+ en
BV. Esas regiones son precisamente las que producen mayor cantidad de recombinaciones,
determinando el máximo de emisión del material SC. Obsérvese también que, tal como
están situados los seudoniveles, existe una inversión de población entre la parte inferior
de BC y la superior de BV. Esta circunstancia será aprovechada cuando planteemos el
diseño de diodos láser.
Anchura espectral y pico de emisión
Tal como se vió en el capítulo de semiconductores, los electrones de BC tienden a
“hundirse” a la parte inferior de la banda, y los huecos de BV tienden a “flotar” a la parte
superior, siguiendo ambos la distribución de Fermi-Dirac. Sin embargo, el mayor número de
portadores se sitúa en una zona ligeramente superior (BC) e inferior (BV), ya que la
densidad de estados es muy baja en los bordes de las bandas. Así pues, el pico de
emisión de un SC está ligeramente por encima de su gap. Además depende de la
temperatura, puesto que ésta modifica la distribución de portadores. Como aproximación se
puede calcular la posición del pico como:
νp ≈
Eg +
kT
2
h
{2}
En cuanto a la anchura espectral, está también relacionada con la temperatura (aumenta al
aumentar ésta, ya que se ensanchan las distribuciones de portadores en las bandas).
Resulta casi independiente del material y de la posición del pico de emisión, y se puede
aproximar como
∆ν ≈ 1,8kT
{3}
En la figura 3 se representan los espectros de emisión de algunos materiales III-V.
Obsérvese que la posición del pico varía con el material. La anchura espectral en frecuencia
es casi idéntica en todos ellos. En la figura las anchuras crecen hacia la derecha porque se
están representando en función de la longitud de onda:
∆λ ≈ −1,8
kT 2
·λ
hc
{4}
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Figura 3. Espectros de emisión de algunos materiales III-V empleados en dispositivos optoelectrónicos
LA DOBLE HETEROESTRUCTURA
Hasta ahora hemos obviado un hecho fundamental, que supuso un obstáculo notable en el
desarrollo de los LED y LD: la radiación emitida en la unión p-n puede ser reabsorbida por
las zonas p y n del SC. Esto hace que el rendimiento cuántico externo del LED sea muy
bajo, ya que sólo una pequeña fracción de la luz generada llega a salir al exterior.
La solución más inmediata es hacer que la unión p-n esté muy próxima a una de las caras
de salida. En este principio se basaron originalmente los LEDs de emisión superficial, que se
estudiarán más adelante. Otra solución más elegante consiste en variar la composición de
las distintas zonas del SC para modificar el tamaño del gap. Los diodos cuya composición
es idéntica en las zonas p y n (salvo dopados) se denominan diodos de homounión. Si la
composición varía, se denominan heterouniones.
Casi todos los LEDs actuales emplean una doble heterounión, también llamada doble
heteroestructura (Fig. 4). En ellas, la composición del material es diferente en la zona p, en
la unión p-n y en la zona n. Con una doble heteroestructura se pueden conseguir varias
ventajas simultáneas:
•
Transparencia. Si se hace que el gap de la unión p-n sea menor que los gaps de las
zonas p y n, los fotones emitidos por la unión no podrán ser reabsorbidos por dichas
zonas. Así pues, el material se vuelve transparente a la longitud de onda de emisión.
Esta propiedad se emplea en casi todos los LEDs actuales, y es obligatoria en el caso
de los LD.
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•
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Confinamiento. Si se dispone la estructura de bandas de forma escalonada, se puede
conseguir confinar los portadores en la unión, incrementando la posibilidad de
recombinación.
•
Guiado. Al escoger los materiales de la heteroestructura, se puede buscar además que
el índice de refracción de la unión sea superior al de las zonas p y n. En tal caso, el
dispositivo se comporta ópticamente como una guíaonda. Esta propiedad se utiliza en
los LEDs de emisión lateral (edge-emitting LEDs o ELEDs) y en los LDs, donde el
guiado resulta imprescindible para crear la cavidad resonante.
Figura 4. Doble heteroestructura empleada en LEDs y LDs. Se consiguen simultáneamente tres
efectos: evitar la reabsorción de los fotones generados, confinar la recombinación de
portadores, y guiar la luz hacia la salida.
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EL LED
El LED es un dispositivo sencillo de manipular y económico, que se adapta bien a enlaces
de Comunicaciones Ópticas de poco alcance y moderado ancho de banda. Tienen
habitualmente un diagrama de radiación lambertiano (coseno), es decir, bastante abierto,
por lo que se adaptan mejor a fibras ópticas con apertura numérica alta, como las fibras
multimodo. Es común utilizar LEDs asociados a fibras multimodo de índice gradual en
redes de área local.
Los LED emiten luz incoherente, a diferencia de los LD. Funcionan por emisión espontánea.
Desde el punto de vista eléctrico, un LED es un diodo que se polariza en directa, y necesita
para su funcionamiento una fuente de corriente. La respuesta óptica del LED es
(razonablemente) lineal con la corriente que lo atraviesa, hasta llegar a saturación.
Los LED de primera ventana (850 nm) suelen fabricarse de GaAs y AlGaAs. Los de segunda
y tercera ventana utilizan InGaAsP e InP.
Existe tres tipos básicos de LED para sistemas de comunicaciones ópticas por fibra: el LED
de emisión superficial (SLED), el de emisión por borde o lateral (ELED) y el diodo
superluminiscente (SLD) o superradiante. Sus características electroópticas y dinámicas
son diferentes, por lo que resultan apropiados en distintas aplicaciones. Así, en distancias
cortas (0-3 km), con tasas binarias bajas, se usan SLEDs y ELEDs. Un SLED típico puede
funcionar eficientemente hasta 250 Mbps. Van invariablemente asociados a fibras ópticas
multimodo, puesto que su diagrama de radiación suele ser bastante abierto (lambertiano).
Para distancias mayores y/o tasas binarias más altas, se prefieren los ELED. Éstos pueden
modularse a tasas superiores a 400 Mbps, y se asocian tanto a fibras monomodo como
multimodo. A distancias y tasas aún mayores se usan los ELED y los SLD. Los SLD son
ELEDs diseñados para operar en modo superluminiciscente, por amplificación de emisión
espontánea (ASE), tal como se comenta posteriormente.
LEDs de emisión superficial
Los SLED son diodos que emiten por una de sus caras, p o n. Los más conocidos son los de
tipo Burrus (Fig. 5), llamados así en honor de C.A. Burrus, que fue quien los desarrolló.
Existe otra variedad llamada plana, que se diferencia básicamente en la estructura,
Tanto en uno como en otro caso, el tamaño de la región activa de emisión se limita a una
zona circular de 20–50 µm, en el centro de la cara. Para mejorar la eficiencia, se adelgaza la
parte de la cara de emisión situada sobre la región activa, ya sea por ataque químico
(Burrus) o por construcción. Sobre el hueco practicado se suele fijar una fibra óptica con un
adhesivo de tipo epoxi, de modo que la fibra queda situada perpendicularmente a la zona
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Figura 5. LED de emisión superficial de tipo Burrus acoplado a una fibra.
activa. Además de garantizar un acoplamiento óptimo de la luz, el adhesivo permite
emparejar los índices de refracción reduciendo la reflexión Fresnel de las caras.
LEDs de emisión lateral
Los LEDs de emission lateral o de borde (edge-emitting LEDs o ELED) surgieron como
desarrollo posterior ante la demanda de fuentes que pudiesen alcanzar mayor distancia, a
mayor longitud de onda y con mayor tasa binaria.
En los ELED, la región activa es una tira estrecha que se crea bajo la superficie del sustrato.
Éste se corta o se pule de manera que la tira alcanza los dos extremos del dispositivo. Se
emplea una doble heteroestructura con los mismos fines que en los SLED, y además como
guiaonda, haciendo el índice de la zona activa superior al de las dos zonas inmediatas.
También se confina lateralmente. La faceta trasera se suele tallar o recubrir para hacerla
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Figura 6. LED de emisión lateral.
reflectante, mientras que la delantera, por donde se produce la salida del haz de luz, se
recubre de un material antirreflexivo. De este modo se optimiza la salida a un solo borde.
Los ELED son capaces de acoplar mayor porcentaje de potencia que los SLED a fibras con
baja apertura numérica. En algunas aplicaciones se utilizan asociados a fibras monomodo.
El rango espectral de la emisión es asimismo más estrecho en los ELED. Como
contrapartida, los ELED son más sensibles a los cambios de temperatura que los SLED.
LEDs superradiantes
Los LEDs superradiantes o superluminiscentes (SLD) son ELED que funcionan a un alto
régimen de inyección de corriente. El fenómeno de la superluminiscencia (obtención de
más de un fotón en promedio por cada recombinación espontánea) aparece cuando los
fotones producidos por emisión espontánea experimentan ganancia por emisión estimulada
debida a la alta concentración de pares e--h+ existentes en cada momento. La salida de un
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SLD procede de esta amplificación de la emisión espontánea (ASE) y como
consecuencia es parcialmente coherente.
Los SLD son dispositivos intermedios entre los LED convencionales y los láseres. Presentan
una anchura espectral menor que los primeros y mayor que los segundos. Su geometría se
aproxima a los LDs, pero carecen de un mecanismo eficiente de realimentación óptica
necesario para conseguir alta coherencia (llevan una capa antirreflexiva para destruir la
cavidad Fabry-Perot).
Cuando se ataca un SLD con baja intensidad, su funcionamiento es semejante al de un
ELED. A medida que se incrementa el nivel de corriente, comienza a actuar el fenómeno de
la superluminiscencia, y la potencia óptica aumenta de forma no lineal a la vez que se
reduce la anchura espectral.
Las ventajas principales de los SLD son su mayor potencia acoplada, mayor ancho de
banda y menor anchura espectral. Por el contrario, la respuesta no lineal corriente-potencia
óptica supone una desventaja, además de su alta sensibilidad a la temperatura, menor
fiabilidad y alto precio.