República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Defensa Universidad Nacional Experimental de la Fuerza Armada Bolivariana San Tome-Estado Anzoátegui. Ingeniería en Telecomunicaciones Cátedra: Comunicaciones Ópticas
Facilitador: Ing. Hugo Betarte Integrantes: Araujo Nelson C.I. 23.536.059 Inciarte Indra C.I. MaitaNorelkys C.I. 22.574.952 Padilla Joshebett C.I. 19.143.619 VillazanaRaymar C.I. 21.178.412 Sección 7D-01 San Tomé, 29 de Abril del 2014.
ÍNDICE
CONTENIDO INTRODUCCIÓN ..........................................................................................................................................4 MARCO TEÓRICO .......................................................................................................................................5 TOPICOS DE FÍSICA DE SEMICONDUCTORES: BANDAS DE ENERGÍA .....................5 MATERIALES INTRÍNSECOS Y EXTRÍNSECOS ......................................................................5 SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS .......................................................................................5 SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS......................................................................................6 SEMICONDUCTOR TIPO N ...........................................................................................................6 SEMICONDUCTOR TIPO P ............................................................................................................7 UNION P-N .................................................................................................................................................8 POLARIZACIÓN DIRECTA DE LA UNIÓN P – N ......................................................................8 POLARIZACIÓN INVERSA DE LA UNIÓN P - N .......................................................................9 DIODOS EMISORES DE LUZ LED ................................................................................................ 10 ESTRUCTURA DE UN DIODO LED ............................................................................................ 11 MATERIALES PARA FUENTES DE LUZ................................................................................... 13 EFICIENCIA CUÁNTICA Y POTENCIA DE LOS LEDS ....................................................... 15 MODULACIÓN ÓPTICA .................................................................................................................... 16 MODULACIÓN CON LED............................................................................................................. 17 CIRCUITO DE MODULACION LED ........................................................................................ 18 DIODO LÁSER ....................................................................................................................................... 18 MODOS DE UN DIODO LASER ...................................................................................................... 19 OPERACIÓN DE ONDA CONTINUA ....................................................................................... 19 OPERACIÓN PULSADA................................................................................................................. 20 CONDICIONES DE DISPARO .......................................................................................................... 21 ECUACIONES DE EMISIÓN ............................................................................................................ 21 EFICIENCIA CUÁNTICA................................................................................................................... 24 FRECUENCIA DE RESONANCIA .............................................................................................. 24 ESTRUCTURA Y PATRONES DE RADIACIÓN ...................................................................... 25 LASER MONOMODO .......................................................................................................................... 26 MODULACIÓN ...................................................................................................................................... 26 MODULACIÓN DE GRAN SEÑAL ............................................................................................ 27 2
MODULACIÓN DE PEQUEÑA SEÑAL ................................................................................... 27 MODULACIÓN DE CÓDIGO DE PULSOS ............................................................................. 27 EFECTOS DE LA TEMPERATURA .............................................................................................. 28 DEPENDENCIA DE LA CORRIENTE UMBRAL CON LA TEMPERATURA .......... 28 EFECTO AUGER: ............................................................................................................................. 28 DEPENDENCIA CON LA TEMPERATURA DE LA FRECUENCIA DE EMISIÓN 28 LINEALIDAD DE LA FUENTE DE LUZ..................................................................................... 29 LANZAMIENTO DE POTENCIA FUENTE – FIBRA ............................................................. 30 PATRÓN DE EMISIÓN DE LA FUENTE.................................................................................... 30 APERTURA NUMÉRICA DE EQUILIBRIO. .............................................................................. 31 CÁLCULO DEL ACOPLE DE POTENCIA. .................................................................................. 33 LANZAMIENTO DE POTENCIA VERSUS LONGITUD DE ONDA. ............................... 35 ESQUEMA DE LENTES PARA MEJORAR EL ACOPLE....................................................... 35 UNIONES FIBRA A FIBRA: ............................................................................................................... 36 DESALINEAMIENTOS MECÁNICOS........................................................................................... 36 PÉRDIDAS RELACIONADAS A LA FIBRA. ............................................................................... 38 PREPARACIÓN DE LA FIBRA .................................................................................................... 40 CONOCER LA PARTE DEL LADO DEL EQUIPO .............................................................. 42 ACOPLE DE LEDS A FIBRAS MONOMODO. ........................................................................... 44 EMPALMES ............................................................................................................................................. 45 TÉCNICAS DE EMPALME ............................................................................................................... 47 EMPALME POR FUSIÓN .............................................................................................................. 47 EMPALME MECÁNICO................................................................................................................. 50 EMPALMES EN FIBRAS MONOMODO. ..................................................................................... 50 CONECTORES........................................................................................................................................ 51 TIPOS DE CONECTORES ................................................................................................................. 52 CONECTORES DE PROXIMIDAD ............................................................................................ 52 CONECTORES DE HAZ EXPANDIDO .................................................................................... 54 CONECTORES MONOMODO ..................................................................................................... 55 CONECTORES MULTIMODO .................................................................................................... 55 PÉRDIDAS POR RETORNO ............................................................................................................. 55 CONCLUSIÓN ............................................................................................................................................. 57 BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................................................... 58
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INTRODUCCIÓN
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MARCO TEÓRICO TOPICOS DE FÍSICA DE SEMICONDUCTORES: BANDAS DE ENERGÍA El objetivo principal de la teoría de las Bandas es el de encontrar un modelo analítico o matemático, que describa cuantitativamente el comportamiento de una partícula cargada en el cristal, como si se estructurara del que tiene una partícula libre como una peculiar masa denominada masa efectiva. Cuando el electrón pasa cerca de un átomo es acelerado y cuando se aleja es desacelerado, hasta que entra dentro del campo eléctrico del siguiente átomo. Este proceso se repite átomo tras átomo, por lo que el campo de energía potencial del cristal ideal es periódico. Se sabe por la mecánica cuántica que la expresión que proporciona los niveles de energía discretos de un electrón en un pozo unidimensional y simétrico es:
(
)
Donde n= 1, 2, 3… Considerando analíticamente el comportamiento del electrón en redes periódicas (Redes de Bravais) mediante un modelo basado en un potencial periódica de forma cuadrada en un cristal unidimensional de dimensiones infinitas se describe el potencial periódico de forma cuadrada. Para algunos valores de energía E, el primer miembro resulta mayor que la unidad por lo que el electrón no puede tener estas energías. Esta es la explicación de que aparezcan bandas de energía prohibida.
MATERIALES INTRÍNSECOS Y EXTRÍNSECOS SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS Es un cristal de silicio o germanio que forma una estructura tetraédrica similar a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos, en la figura representados en el plano por simplicidad. Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente algunos electrones pueden absorber la energía necesaria para saltar a la banda de conducción dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia (1). Las energías requeridas, a temperatura ambiente, son de 1,12 ev y 0,67 ev para el silicio y el germanio respectivamente.
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Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden caer, desde el estado energético correspondiente a la banda de conducción, a un hueco en la banda de valencia liberando energía. A este fenómeno se le denomina recombinación. Sucede que, a una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares e-h, y de recombinación se igualan, de modo que la concentración global de electrones y huecos permanece constante. Siendo "n" la concentración de electrones (cargas negativas) y "p" la concentración de huecos (cargas positivas), se cumple que: Ni = n = p Siendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura y del tipo de elemento. Ejemplos de valores de ni a temperatura ambiente (27 ºc): Ni (Si) = 1.5 1010cm-3 Ni (Ge) = 1.73 1013cm-3 Los electrones y los huecos reciben el nombre de portadores. En los semiconductores, ambos tipos de portadores contribuyen al paso de la corriente eléctrica. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen dos corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos (2), originando una corriente de huecos con 4 capas ideales y en la dirección contraria al campo eléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de conducción.
SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado. Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo de silicio. Hoy en día se han logrado añadir impurezas de una parte por cada 10 millones, logrando con ello una modificación del material.
SEMICONDUCTOR TIPO N Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso negativos o electrones).
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Cuando se añade el material dopante, aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material donante, ya que da algunos de sus electrones. El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el material. Para ayudar a entender cómo se produce el dopaje tipo n considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo 15 de la tabla periódica (ej. Fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación de "electrones libres", el número de electrones en el material supera ampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A causa de que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que "dar", son llamados átomos donadores. Nótese que cada electrón libre en el semiconductor nunca está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta final de cero.
SEMICONDUCTOR TIPO P Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos). Cuando se añade el material dopante libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos. El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, un átomo tetravalente (típicamente del grupo 14 de la tabla periódica) se le une un átomo con tres electrones de valencia, tales como los del grupo 13 de la tabla periódica (ej. Al, Ga, B, In), y se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá tres enlaces covalentes y un hueco producido que se encontrará en condición de aceptar un electrón libre. Así los dopantes crean los "huecos". No obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la red, un protón del átomo situado en la posición del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado como una cierta carga positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los huecos superan ampliamente la excitación térmica de los electrones. Así, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo iib), que contienen 7
impurezas de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural.
UNION P-N Se denomina unión PN a la estructura fundamental de los componentes electrónicos comúnmente denominados semiconductores, principalmente diodos y transistores BJT. Está formada por la unión metalúrgica de dos cristales, generalmente de Silicio (Si), aunque también se fabrican de Germanio (Ge), de naturalezas P y N según su composición a nivel atómico. Estos tipos de cristal se obtienen al dopar cristales de metal puro intencionadamente con impurezas, normalmente con algún otro metal o compuesto químico. POLARIZACIÓN DIRECTA DE LA UNIÓN P – N
Polarización directa del diodo p-n. En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad. Se produce cuando se conecta el polo positivo de la pila a la parte P de la unión P - N y la negativa a la N. En estas condiciones podemos observar que:
El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n. El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n. Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n. Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en 8
electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batería. De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica constante hasta el final. POLARIZACIÓN INVERSA DE LA UNIÓN P - N
Polarización inversa del diodo pn. En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como se explica a continuación:
El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, los cuales salen del cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batería. A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción, adquieren estabilidad: 8 electrones en la capa de valencia, y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones positivos. El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones negativos.
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Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería.
En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco a ambos lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μa) denominada corriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los átomos de silicio no están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie del diodo, tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en su orbital de valencia con lo que los electrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, al igual que la corriente inversa de saturación, la corriente superficial de fugas es despreciable.
DIODOS EMISORES DE LUZ LED El LED (Light-EmittingDiode: Diodo Emisor de Luz), es un dispositivo semiconductor que emite luz incoherente de espectro reducido cuando se polariza de forma directa la unión PN en la cual circula por él una corriente eléctrica . Este fenómeno es una forma de electroluminiscencia, el LED es un tipo especial de diodo que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente eléctrica, emite luz. Este dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta de plástico de mayor resistencia que las de vidrio que usualmente se emplean en las lámparas incandescentes. Aunque el plástico puede estar coloreado, es sólo por razones estéticas, ya que ello no influye en el color de la luz emitida. Usualmente un LED es una fuente de luz compuesta con diferentes partes, razón por la cual el patrón de intensidad de la luz emitida puede ser bastante complejo. Para obtener una buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente que atraviesa el LED y evitar que este se pueda dañar; para ello, hay que tener en cuenta que el voltaje de operación va desde 1,8 hasta 3,8 voltios aproximadamente (lo que está relacionado con el material de fabricación y el color de la luz que emite) y la gama de intensidades que debe circular por él varía según su aplicación. Los Valores típicos de corriente directa de polarización de un LED están comprendidos entre los 10 y 20 miliamperios (mA) en los diodos de color rojo y de entre los 20 y 40 miliamperios (mA) para los otros LED. Los diodos LED tienen enormes ventajas sobre las lámparas indicadoras comunes, como su bajo consumo de energía, su mantenimiento casi nulo y con una vida aproximada de 100,000 horas. Para la protección del LED en caso haya picos inesperados que puedan dañarlo. Se coloca en paralelo y en sentido opuesto un diodo de silicio común
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En general, los LED suelen tener mejor eficiencia cuanto menor es la corriente que circula por ellos, con lo cual, en su operación de forma optimizada, se suele buscar un compromiso entre la intensidad luminosa que producen (mayor cuanto más grande es la intensidad que circula por ellos) y la eficiencia (mayor cuanto menor es la intensidad que circula por ellos).
Símbolo del LED
ESTRUCTURA DE UN DIODO LED Un diodo LED común se compone de las siguientes partes:
1.- Extremo superior abovedado de la cápsula de resina epoxi, que hace también función de lente convexa. La existencia de esta lente permite concentrar el haz de luz que emite el chip y proyectarlo en una sola dirección.
2.- Cápsula de resina epoxi protectora del chip.
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3.- Chip o diodo semiconductor emisor de luz.
4.- Copa reflectora. En el interior de esta copa se aloja el chip emisor de luz.
5.- Base redonda de la cápsula de resina epoxi. Esta base posee una marca plana situada junto a uno de los dos alambres de conexión del LED al circuito externo, que sirve para identificar el terminal negativo (–) correspondiente al cátodo del chip.
6.- Alambre terminal negativo (–) de conexión a un circuito eléctrico o electrónico externo. En un LED nuevo este terminal se identifica a simple vista, porque siempre es más corto que el terminal positivo.
7.- Alambre terminal positivo (+) correspondiente al ánodo del chip del diodo, que se utiliza para conectarlo al circuito externo. 8.- Alambre muy delgado de oro, conectado internamente con el terminal positivo (+) y con el ánodo del chip.
Estructura interna del chip de un diodo LED. En esta ilustración el chip se compone de nitruro de galio (GaN) como elemento semiconductor. Aquí la corriente de electrones ―I‖ que parte del polo negativo (–) de la batería ―B‖, penetra en el diodo LED por el cátodo (negativo), correspondiente a la región ―N‖. Cuando a este chip se le aplica un voltaje adecuado que lo polarice de forma directa, los electrones adquieren la energía extra necesaria que les permite circular y atravesar las dos regiones que lo componen. Desde el mismo momento que la batería ―B‖ suministra a los electrones la energía suficiente para vencer la oposición que les ofrece a su paso la barrera de potencial que se crea en el punto 12
de unión o juntura que limita las dos regiones del diodo, estos pueden pasar a ocupar los huecos existentes en la región ―P‖ (positiva). Acto seguido los electrones continúan su recorrido por esa otra parte del diodo, circulan por el circuito externo, atraviesan la resistencia limitadora de corriente ―R‖ y alcanzan, finalmente, el polo positivo (+) de la batería o fuente de energía de corriente directa, completando así su recorrido por todo el circuito. Una vez que los electrones comienzan a circular por el interior del diodo, en el mismo momento que cada uno de ellos atraviesa la barrera de potencial y se une a un hueco en la región ―P‖, el exceso de energía extra previamente adquirida procedente de la batería la libera en forma de fotón de luz. En el caso del diodo LED de este ejemplo, la luz emitida será ultravioleta (UV), invisible al ojo humano, por ser nitruro de galio (GaN) el componente químico del material semiconductor que compone este chip. El chip de un diodo LED común no se considera una ―lámpara‖ propiamente dicho como ocurre con otras fuentes de iluminación o bombillas más tradicionales. Para que sea considerado como tal, además del chip emisor de luz en sí, tiene que contener también otros elementos adicionales, como son: un controlador electrónico o driver, un disipador de calor y componentes ópticos apropiados, tal como poseen las ―lámparas LED‖ de alta potencia luminosa utilizadas para su uso en alumbrado general.
MATERIALES PARA FUENTES DE LUZ En corriente continua (CC), todos los diodos emiten cierta cantidad de radiación cuando los pares electrón-hueco se recombinan; es decir, cuando los electrones caen desde la banda de conducción (de mayor energía) a la banda de valencia (de menor energía) emitiendo fotones en el proceso. Indudablemente, por ende, su color dependerá de la altura de la banda prohibida (diferencias de energía entre las bandas de conducción y valencia), es decir, de los materiales empleados. Los diodos convencionales, de silicio o germanio, emiten radiación infrarroja muy alejada del espectro visible. Sin embargo, con materiales especiales pueden conseguirse longitudes de onda visibles. Los leds e IRED (diodos infrarrojos), además, tienen geometrías especiales para evitar que la radiación emitida sea reabsorbida por el material circundante del propio diodo, lo que sucede en los convencionales.
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Compuestos empleados en la construcción de leds
Los primeros leds construidos fueron los diodos infrarrojos y de color rojo, permitiendo el desarrollo tecnológico posterior la construcción de diodos para longitudes de onda cada vez menores. En particular, los diodos azules fueron desarrollados a finales de los años noventa por ShujiNakamura, añadiéndose a los rojos y verdes desarrollados con anterioridad, lo que permitió —por combinación de los mismos— la obtención de luz blanca. El diodo de seleniuro de cinc puede emitir también luz blanca si se mezcla la luz azul que emite con la roja y verde creada por fotoluminiscencia. La más reciente innovación en el ámbito de la tecnología led son los leds ultravioleta, que se han empleado con éxito en la producción de luz negra para iluminar materiales fluorescentes. Tanto los leds azules como los ultravioletas son caros respecto a los más comunes (rojo, verde, amarillo e infrarrojo), siendo por ello menos empleados en las aplicaciones comerciales. Los leds comerciales típicos están diseñados para potencias del orden de los 30 a 60 mW. En torno a 1999 se introdujeron en el mercado diodos capaces de trabajar con potencias de 1 vatio para uso continuo; estos diodos tienen matrices semiconductoras de dimensiones mucho mayores para poder soportar tales potencias e incorporan aletas metálicas para disipar el calor (véase convección) generado por el efecto Joule. Hoy en día se están desarrollando y empezando a comercializar leds con prestaciones muy superiores a las de hace unos años y con un futuro prometedor en diversos campos, incluso en aplicaciones generales de iluminación. Como ejemplo, se puede destacar que NichiaCorporation ha desarrollado leds de luz blanca con una eficiencia luminosa de 150 lm/W utilizando para ello una corriente de polarización directa de 20 miliamperios (mA). Esta eficiencia, comparada con otras fuentes de luz solamente en términos de rendimiento, es aproximadamente 1,7 veces superior a la de la lámpara fluorescente con prestaciones de 14
color altas (90 lm/W) y aproximadamente 11,5 veces la de una lámpara incandescente (13 lm/W). Su eficiencia es incluso más alta que la de la lámpara de vapor de sodio de alta presión (132 lm/W), que está considerada como una de las fuentes de luz más eficientes.
EFICIENCIA CUÁNTICA Y POTENCIA DE LOS LEDS La eficiencia cuántica interna de un LED se define como la fracción de pares electrónhueco que se recombinan emitiendo radiación óptica. Ésta se calcula mediante la expresión:
DondeRry Rnrson respectivamente las razones de recombinación radiativas y no-radiativas. Esto puede expresarse en función del tiempo total de recombinación y el tiempo de recombinación radiativa de la forma:
Donde el tiempo total de recombinación es:
La potencia interna generada en el LED en función de la corriente inyectada al dispositivo (I) está dada por:
Donde q es la carga del electrón y λ es la longitud de emisión pico. La eficiencia externa se calcula considerando que no todos los fotones generados saldrán del dispositivo. Para esto se consideran los efectos de reflexión en la superficie del LED (interfase). Esto se simplifica considerando únicamente los fotones con ángulo de incidencia normal a la interfase con lo que se utiliza el valor del coeficiente de 15
transmisividad de Fresnel. Considerando que el medio externo es aire (n=1), la eficiencia externa está dada por:
Donden es el índice de refracción del material semiconductor. De aquí, la potencia de emisión del LED puede obtenerse mediante:
La sensibilidad o responsividad (responsivity) de un LED es la razón de poder emitido (P) a corriente inyectada (I). Generalmente se expresa en unidades de W/A, y cuando la longitud de onda se expresa en micrometrospuede calcularse como:
La potencia de salida es proporcional a la corriente inyectada en un intervalo limitado por la saturación del dispositivo. El ancho espectral de la emisión (en μm) puede calcularse como:
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DondekBT está dado en eV y la longitud de onda en μm (1.24eV=1.99x10 J).
MODULACIÓN ÓPTICA La modulación óptica puede ser directa, donde la fuente de luz es modulada directamente por una inyección de corriente electrónica, proveniente del circuito ―driver‖, o ella puede ser una modulación externa, donde la luz es primero generada por la fuente óptica y después a través de un modulador externo es modulada. En este caso es posible, pero no usual, modular, además de la amplitud, la fase, la frecuencia o la polarización de la señal óptica. La ventaja de la modulación externa es la posibilidad de minimizar el efecto de lo ―chirp‖ de la señal óptica, característicos das señales ópticas moduladas directamente. Sin embargo, la mayoría de los sistemas de comunicación por fibras ópticas comercializados actualmente utiliza la modulación directa, debido a su simplicidad y bajo costo. Estos sistemas son llamados de sistemas del tipo IM o sea, la potencia óptica emitida por la fuente de luz (intensidad óptica) es modulada por la corriente electrónica inyectada en la fuente óptica. 16
MODULACIÓN CON LED
La modulación óptica puede ser directa, donde la fuente de luz es modulada directamente por una inyección de corriente electrónica, proveniente del circuito ―driver‖, o ella puede ser una modulación externa, donde la luz es primero generada por la fuente óptica y después a través de un modulador externo es modulada. En este caso es posible, pero no usual, modular, además de la amplitud, la fase, la frecuencia o la polarización de la señal óptica. La ventaja de la modulación externa es la posibilidad de minimizar el efecto de lo ―chirp‖ de la señal óptica, característicos das señales ópticas moduladas directamente. Sin embargo, la mayoría de los sistemas de comunicación por fibras ópticas comercializados actualmente utiliza la modulación directa, debido a su simplicidad y bajo costo. Estos sistemas son llamados de sistemas del tipo IM o sea, la potencia óptica emitida por la fuente de luz (intensidad óptica) es modulada por la corriente electrónica inyectada en la fuente óptica.
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CIRCUITO DE MODULACION LED
Esta aplicación de amp-op es un amplificador sumador donde la señal de entrada tiene una ganancia de -1, y el suministro de 12V se amplifica por -3/7 para proporcionar voltaje suficiente para encender el LED y llevarlo a su rango lineal. El cambio en la salida de luz es entonces proporcional al voltaje de la señal.
DIODO LÁSER Los Diodos láser, emiten luz por el principio de emisión estimulada, la cual surge cuando un fotón induce a un electrón que se encuentra en un estado excitado a pasar al estado de reposo, este proceso está acompañado con la emisión de un fotón, con la misma frecuencia y fase del fotón estimulante. Para que el numero de fotones estimulados sea mayor que el de los emitidos de forma espontánea, para que se compensen las perdidas, y para que se incremente la pureza espectral, es necesario por un lado tener una fuerte inversión de portadores, la que se logra con una polarización directa de la unión, y por el otro una cavidad resonante, la cual posibilita tener una trayectoria de retroalimentación positiva facilitando que se emitan mas fotones de forma estimulada y se seleccione ciertas longitudes de onda haciendo mas angosto al espectro emitido. La presencia de una inversión grande de portadores y las propiedades de la cavidad resonante hacen que las características de salida (potencia óptica como función de la corriente de polarización) tenga un umbral a partir del cual se obtiene emisión estimulada, el cual es función de la temperatura.
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Un diodo láser es diferente en este aspecto, ya que produce luz coherente lo que significa que todas las ondas luminosas están en fase entre sí. La idea básica de un diodo láser consiste en usar una cámara resonante con espejos que refuerza la emisión de ondas luminosas a la misma frecuencia y fase. A causa de esta resonancia, un diodo láser produce un haz de luz estrecho que es muy intenso, enfocado y puro. El diodo láser también se conoce como láser semiconductor o también conocidos como láseres de inyección, Estos diodos pueden producir luz visible (roja, verde o azul) y luz invisible (infrarroja).Se usan en productos de consumo y comunicaciones de banda ancha.
MODOS DE UN DIODO LASER Un láser puede ser clasificado como operar en modo continuo o pulsado, dependiendo de si la salida de potencia es esencialmente continua en el tiempo o si su salida toma la forma de pulsos de luz en una o en otra escala de tiempo. Por supuesto, incluso un láser cuya salida es normalmente continua se puede girar intencionalmente dentro y fuera a una tasa con el fin de crear pulsos de luz. Cuando la velocidad de modulación es en escalas de tiempo mucho más lento que el tiempo de vida cavidad y el período de tiempo durante el cual la energía se puede almacenar en el mecanismo de acción láser o medio de bombeo, a continuación, todavía se clasifica como un "modulada" o "pulsada" láser de onda continua. La mayoría de los diodos láser utilizados en los sistemas de comunicación caen en esa categoría.
OPERACIÓN DE ONDA CONTINUA Algunas aplicaciones de los láseres dependen de un haz cuya potencia de salida es constante en el tiempo. Tal un láser se conoce como onda continua. Se pueden hacer muchos tipos de láser para operar en el modo de onda continua para satisfacer este tipo de aplicación. Muchos de estos láseres en realidad laser en varios modos longitudinales al mismo tiempo, y tiempos entre las frecuencias ligeramente diferentes ópticas de las oscilaciones, de hecho, producir variaciones de amplitud en escalas de tiempo más cortas que el tiempo de ida y vuelta, típicamente de unos pocos nanosegundos o menos. En la mayoría de los casos, estos láseres son todavía llaman "onda continua" como su potencia de salida es estable cuando se promedian sobre cualquier periodo de tiempo más largos, con las variaciones de energía de muy alta frecuencia que tienen poco o ningún impacto en la aplicación prevista. Para el funcionamiento de onda continua que se requiere para la inversión de población del medio de ganancia que ser repuesto continuamente por una fuente de bombeo constante. En algunos medios de acción láser es imposible. En algunos otros láseres que requeriría de bombeo del láser a un nivel muy alto de potencia continua que sería poco práctico o 19
destruir el láser mediante la producción de calor excesivo. Estos láseres no se pueden ejecutar en modo CW.
OPERACIÓN PULSADA Operación de pulsado de los láseres se refiere a cualquier láser no clasificados como onda continua, de modo que la potencia óptica aparece en pulsos de una cierta duración en algún tasa de repetición. Esto abarca una amplia gama de tecnologías que aborden un número de diferentes motivaciones. Algunos láseres son pulsadas simplemente porque no se pueden ejecutar en el modo continuo. En otros casos, la aplicación requiere la producción de impulsos que tienen una energía tan grande como sea posible. Puesto que la energía del pulso es igual a la potencia media dividida por la tasa de repetición, este objetivo a veces puede ser satisfecha mediante la reducción de la tasa de impulsos de modo que más energía puede ser construida en entre pulsos. En la ablación con láser, por ejemplo, un pequeño volumen de material en la superficie de una pieza de trabajo se puede evaporar si se calienta en un tiempo muy corto, mientras que el suministro de la energía gradualmente permitiría el calor para ser absorbido en la mayor parte de la pieza , nunca alcanzar una temperatura suficientemente alta en un punto particular. Otras aplicaciones se basan en la potencia de cresta del impulso, especialmente con el fin de obtener efectos ópticos no lineales. Para un pulso de energía dada, esto requiere la creación de pulsos de duración más breve posible la utilización de técnicas como el Qswitching. El ancho de banda óptica de un pulso no puede ser más estrecha que el recíproco de la anchura del impulso. En el caso de pulsos extremadamente cortos, que implica la acción láser en un ancho de banda considerable, muy al contrario de los anchos de banda muy estrechos típicos de los láseres de CW. El medio de emisión láser en algunos láseres de colorante y los láseres de estado sólido vibrónicas produce ganancia óptica en un amplio ancho de banda, lo que hace posible un láser que puede así generar pulsos de luz de tan sólo unos pocos femtosegundos. En un láser de Q-conmutado, se permite la inversión de población para construir mediante la introducción de la pérdida en el interior del resonador que excede la ganancia del medio, lo que también puede ser descrito como una reducción del factor de calidad o "Q" de la cavidad. Entonces, después de la energía de bombeo almacenada en el medio de láser se ha acercado al nivel máximo posible, el mecanismo de pérdida introducido se elimina rápidamente, permitiendo que la acción láser para comenzar que obtiene rápidamente la energía almacenada en el medio de ganancia. Esto se traduce en un impulso corto que la incorporación de la energía, y por lo tanto una alta energía máxima.
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Un láser de modo bloqueado es capaz de emitir pulsos extremadamente cortos, del orden de decenas de picosegundos reduce a menos de 10 femtosegundos. Estos pulsos se repetirá en el tiempo de ida y vuelta, es decir, el tiempo que la luz tarda en completar un viaje de ida y vuelta entre los espejos que componen el resonador. Debido al límite de Fourier, un pulso de tal longitud temporal corto tiene un espectro extendido sobre un ancho de banda considerable. Por lo tanto un medio de dicha ganancia debe tener un ancho de banda de ganancia suficientemente amplia para amplificar esas frecuencias. Un ejemplo de un material adecuado es de titanio dopado, crecido artificialmente zafiro que tiene un ancho de banda de ganancia muy amplia y por lo tanto puede producir pulsos de sólo unos pocos femtosegundos duración. Tales láseres en modo bloqueado son una herramienta más versátil para procesos que ocurren en escalas de tiempo extremadamente cortos investigación, para maximizar el efecto de la no linealidad en materiales ópticos debido a la gran potencia de pico, y en aplicaciones de ablación. Una vez más, debido a la duración extremadamente corta del impulso, tal láser producirá impulsos que alcanzan una potencia extremadamente alta pico.
CONDICIONES DE DISPARO Otro método de lograr la operación de láser pulsado es para bombear el material láser con una fuente que es en sí mismo pulsada, ya sea a través de la carga electrónica en el caso de lámparas de flash, u otro láser que ya está pulsado. Pulsos de bombeo se utilizó históricamente con láseres de colorante en el tiempo de vida de población invertida de una molécula de colorante era tan corto que se necesita una energía, bomba rápida alta. La manera de superar este problema fue para cargar condensadores grandes que luego se cambiaron a descargar a través de lámparas de destellos, la producción de un flash intensa. Pulsos de bombeo también se requiere para láser de tres niveles en los que el nivel de energía más bajo se convierte rápidamente en altamente poblada evitar una mayor acción láser hasta que esos átomos se relajan al estado fundamental. Estos láseres, como el láser excimer y el láser de vapor de cobre, no se pueden utilizar en el modo CW.
ECUACIONES DE EMISIÓN Para el análisis del funcionamiento del láser hay que partir de las ecuaciones de emisión (en este caso, particularizadas para el caso de láseres monomodo), que son la solución a las ecuaciones de Maxwell para el caso del láser:
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[1]
[2]
Donde P y N representan la cantidad o número de fotones y portadores en la cavidad respectivamente, tp es el tiempo de vida de los fotones , tn el tiempo de recombinación de los portadores, Resp es la tasa de emisión espontánea y G es la tasa de emisión estimulada o ganancia óptica de la cavidad. La definición o el valor de cada uno de los parámetros que determinan el funcionamiento del láser es:
LA CANTIDAD DE FOTONES viene dada en función del campo eléctrico:
[3] Donde e0 es la permitividad del medio material, m es el índice del modo, mg es índice de los portadores inducidos y ħw es la energía de un fotón.
EL NÚMERO DE PORTADORES en la zona activa se define como: [4] Donde n es la densidad de portadores y es prácticamente constante, V=Lwd es el volumen de la cavidad siendo L la longitud, w el ancho y del grosor de la misma.
LA GANANCIA ÓPTICA se halla a partir de: [5] donde G es el factor de confinamiento, vg es la velocidad de grupo definida como v g= c/mg y g es una ganancia de la cavidad cuyo valor es: g = sg ·( n - n0 ) , donde sg es el coeficiente deganancia diferencial, n0 la densidad de portadores requerida para alcanzar el nivel de transparencia y n la densidad de portadores. Como no se va a trabajar con densidad de portadores por unidad de volumen, sino con número de portadores, se 22
desarrolla un poco esta definición para llegar a otra expresión que convenga mejor: G = GN ·(N-N0).
EL TIEMPO DE VIDA DE LOS FOTONES:
[6] Donde ae son las pérdidas en los espejos, aint otras pérdidas intrínseca de la cavidad.
EL TIEMPO QUE TARDAN EN RECOMBINARSE LOS PORTADORES es:
[7]
LA TASA DE EMISIÓN ESPONTÁNEA,viene dada por:
[8] Donde todo lo contenido dentro del corchete se conoce como factor de inversión de la población y Ef es la energía de separación entre los niveles de Fermi. Si a [1] y [2] se le añade la ecuación de emisión de la fase, se tiene el sistema de ecuaciones de emisión de láseres monomodo completo [9].
[9]
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EFICIENCIA CUÁNTICA La Eficiencia cuántica es una cantidad definida para un dispositivo fotosensible como la película fotográfica o un CCD como el porcentaje de fotones que chocan con la superficie fotorreactiva que producirá un par electrón-hueco. Es una medida precisa de la sensibilidad del dispositivo. A menudo se mide sobre un rango de diferentes longitudes de onda para caracterizar la eficiencia del dispositivo a cada energía. La película fotográfica tiene típicamente una eficiencia cuántica de menos del 10%, mientras los CCDs pueden tener una eficiencia cuántica sobre 90% en algunas longitudes de onda.
FRECUENCIA DE RESONANCIA Se denomina frecuencia de resonancia a aquella frecuencia característica de un cuerpo o un sistema que alcanza el grado máximo de oscilación. Todo cuerpo o sistema tiene una, o varias, frecuencias características. Cuando un sistema es excitado a una de sus frecuencias características, su vibración es la máxima posible. El aumento de vibración se produce porque a estas frecuencias el sistema entra en resonancia. La eficiencia de Acople es la medida de la cantidad de potencia óptica emitida desde una fuente que puede ser acoplada con una Fibra Óptica
Pf= Potencia Acoplada a la Fibra Ps= Potencia Emitida desde la Fuente de Luz La eficiencia de Acople depende del tipo de fibra conectada a la fuente y del proceso de acople (lentes u otro complemento)
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ESTRUCTURA Y PATRONES DE RADIACIÓN
El modo transversal de un frente de onda electromagnética es el perfil del campo electromagnético en un plano perpendicular (transversal) a la dirección de propagación del rayo. Modos transversales ocurren en las ondas de radio y microondas confinadas en una 25
guía de ondas, como también la luz confinada en una fibra óptica y en el resonador óptico de un láser. Los modos transversales son debidos a las condiciones de frontera impuestas por la guía de ondas. Por ejemplo una onda de radio que se propaga a lo largo de una guía hueca de paredes metálicas tendrá como consecuencia que las componentes del campo eléctrico paralelas a la dirección de propagación (eje de la guía) se anulen, y por tanto el perfil transversal del campo eléctrico estará restringido a aquellas ondas cuya longitud de onda encaje entre las paredes conductoras. Por esta razón, los modos soportados son cuantizados y pueden hallarse mediante la solución de las ecuaciones de Maxwell para las condiciones de frontera adecuadas.
LASER MONOMODO Las comunicaciones led se producen principalmente a partir de GaAsp o GaAs. Debido a que los ledesGaAsp operan a una mayor longitud de onda que los ledesGaAs (1,3 micrómetros contra 0,81-0,87 µm), su espectro de salida es más ancho en un factor de alrededor de 1,7 veces. El ancho de amplio espectro de los ledes causa una alta dispersión en la fibra, lo que limita considerablemente su producto tasa de bits-distancia (medida común de utilidad). Los ledes son adecuados principalmente para aplicaciones de red de área local con velocidades de 10 a 100 Mbit/s, y distancias de transmisión de unos pocos kilómetros. Los leds se han desarrollado para usar varios pozos cuánticos para emitir luz en diferentes longitudes de onda en un amplio espectro, y actualmente están en uso en redes de área local de multiplexado por división de longitud de onda. Un láser semiconductor transmite luz a través de la emisión estimulada en vez de emisión espontánea, lo que da como resultado una alta potencia de salida (~100 mW), así como otros beneficios de la luz coherente. La salida del láser es relativamente direccional, lo que permite un acoplamiento de alta eficiencia (~50%) en fibras monomodo. La anchura espectral estrecha permite altas tasas de transferencia de bits, ya que reduce el efecto de dispersión cromática. Los láseres semiconductores pueden ser modulados directamente a altas frecuencias, debido a la recombinación de tiempo corto. A menudo, los diodos láser se modulan directamente, que es la salida de luz controlada por una corriente aplicada directamente al dispositivo. Para tasas de datos muy altas o enlaces de muy larga distancia, una fuente de láser puede ser de onda continua y la luz modulada por un dispositivo externo como un modulador de electroabsorción
MODULACIÓN La respuesta general a los distintos métodos de modulación depende de factores intrínsecos y extrínsecos del láser. Los límites extrínsecos son varios. Una restricción importante es el sobrecalentamiento del láser debido a las altas corrientes de polarización 26
del láser. Estas altas corrientes son necesarias para poder hacer funcionar el láser a altas velocidades. El sobrecalentamiento produce un deterioro de los parámetros del dispositivo como la ganancia, corriente umbral, etc. Otro aspecto importante en la polarización de láseres a alta potencia es la degeneración "catastrófica" que se produce si se dañan los espejos. Esto destruye el láser al estropearse los espejos de la cavidad. Por tanto el láser tiene un límite superior de inyección, hasta el cual puede operar con seguridad y por encima del cual se destruye el láser. Un último límite extrínseco del láser que limita la velocidad de éste es debido a los elementos parásitos extrínsecos del diodo láser. El láser debe ser diseñado con cuidado para que la resistencia, capacidad e inductancia no limiten la respuesta del dispositivo. Los límites intrínsecos de modulación son debidos al diseño de la cavidad, arrastre y difusión de los portadores que limitan la velocidad de la modulación de pequeña señal. MODULACIÓN DE GRAN SEÑAL En este tipo de modulación el láser es puesto a ON y a OFF, es decir, la corriente pasa de estar por encima del valor umbral a estar por debajo del valor umbral. Este tipo de modulación se puede utilizar para interconexiones ópticas o para algunas aplicaciones lógicas. La respuesta del láser es bastante lenta con esta modulación (~10ns). La modulación de gran señal no se utiliza para comunicaciones ópticas debido a la respuesta tan lenta y debido a la anchura espectral de la salida. De hecho la respuesta en gran señal de un láser.
MODULACIÓN DE PEQUEÑA SEÑAL En modulación de pequeña señal el láser está polarizado en un punto por encima del valor umbral y se le aplica una pequeña señal ac. Este método presenta la mayor respuesta en frecuencia pudiéndose alcanzar anchos de banda de hasta 50GHz.
MODULACIÓN DE CÓDIGO DE PULSOS Esta técnica de modulación es la más utilizada en las comunicaciones ópticas actuales. Es un híbrido entre la modulación de gran señal y la de pequeña señal. El láser está polarizado por encima de su valor umbral y se le aplican pulsos de corriente (o tensión) de forma que la corriente va de un valor superior a otro inferior pero siempre, incluso en el estado bajo, por encima del valor umbral. Con este tipo de modulación se alcanzan anchos de banda de hasta 10GHz.
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EFECTOS DE LA TEMPERATURA Como en el LED la dependencia de la temperatura de la emisión de un láser es de suma importancia. Tal y como hemos visto en una sección anterior, para aplicaciones de muy alta velocidad necesitamos altas corrientes de inyección lo cual puede producir un calentamiento del dispositivo aún con buena refrigeración. Los factores de mayor importancia en el estudio de la dependencia con la temperatura son; i) efecto de la temperatura sobre la corriente umbral y la intensidad óptica y ii) efecto de la temperatura sobre la frecuencia de emisión.
DEPENDENCIA DE LA CORRIENTE UMBRAL CON LA TEMPERATURA Conforme aumenta la temperatura del láser, su corriente umbral también aumenta y para un nivel de inyección determinado, la salida de fotones cae. Se debe a dos razones principalmente:
El incremento de temperatura causa que puedan existir electrones y huecos con energías mayores. En consecuencia, una mayor fracción de la carga inyectada podrá cruzar la región activa y entrar en el recubrimiento o región de los contactos. Esta corriente de pérdidas ya la vimos para el LED. La corriente de pérdidas depende del diseño del láser y se puede minimizar utilizando una región activa más ancha o una estructura con variación gradual del índice en el caso de láseres de pozo cuántico.
A mayor temperatura hay más electrones y huecos con energías superiores al valor energético umbral necesario para que se produzca la recombinación de Auger. Esto, junto junto con el incremento en la densidad de portadores umbral hace que la recombinación de Auger crezca exponencialmente con la temperatura. Los procesos de Auger son especialmente importantes en materiales de estrecha banda prohibida.
EFECTO AUGER: La ya mencionada recombinación de Auger da lugar a calor en vez de a fotones por lo que una fracción de la corriente no estará disponible para la creación fotones y, en consecuencia, habrá que aumentar el nivel de inyección para alcanzar la misma densidad de fotones. Además se produce un aumento del factor de amortiguamiento de la resonancia reduciendo el ancho de banda. DEPENDENCIA CON LA TEMPERATURA DE LA FRECUENCIA DE EMISIÓN Para la mayoría de las aplicaciones es deseable que la frecuencia de emisión permanezca estable. Pero en realidad si cambia la temperatura cambia la frecuencia de emisión del láser. Hay dos efectos que controlan esta variación de la frecuencia: 28
La variación de la banda prohibida hace desplazarse el espectro de ganancia completo a energías menores conforme aumenta la temperatura. Esta variación de la banda prohibida es del orden de −0,5meV/K en la mayoría de los semiconductores. Esto hace variar al espectro de ganancia en 3Å o 4Å por K si no hay efectos adicionales como se muestra en la siguiente figura (a). Sin embargo, en el láser la emisión no depende sólo de la posición del pico de ganancia si no también del modo Fabry-Perot más cercano a este pico de ganancia. Esto nos conduce al segundo efecto.
Conforme varía la temperatura, la expansión térmica de la cavidad láser y lavariación del índice de refracción altera la posición de los modos resonantes.Los modos resonantes vienen dados por (q es un entero)
Dondeq es la longitud de onda en el material y q0 la longitud de onda en el vacío. Si la longitud efectiva de la cavidad aumenta con la temperatura, la posición de los modos se desplazará con respecto al espectro de ganancia que a su vez se está desplazando debido a la temperatura.
LINEALIDAD DE LA FUENTE DE LUZ El transmisor de fibra óptica es un dispositivo híbrido electro-óptico. Convierte señales eléctricas en ópticas y envía las señales ópticas a una fibra óptica. Un transmisor de fibra óptica consiste de un circuito de interfaz, un circuito controlador de la fuente, y una fuente óptica. El circuito interfaz acepta la señal eléctrica entrante, y la procesa para que sea compatible con el circuito controlador de la fuente. La intensidad del circuito controlador de la fuente modula la fuente óptica variando su propia corriente. La señal óptica se junta, se acopla a la fibra óptica a través de la interfaz de salida del transmisor. Hay dos tipos de diodos de juntura de emisión de luz que se usan como fuente óptica del transmisor. Esta el diodo emisor de luz (LED, acrónimo inglés de Light-EmittingDiode), y el diodo láser (LD). Los LED son más simples y generan luz incoherente, y de potencia baja. Los LD son más complejos y generan luz coherente, y de potencia alta. El gráfico ilustra la potencia de salida óptica, P, de cada uno de estos dispositivos en función de la corriente eléctrica de entrada I, del circuito de modulación. En la figura se ve 29
que el LED tiene una característica P-I relativamente lineal, mientras que el LD tiene una característica no lineal o efecto umbral. El LD también tiene una propensión a tener pliegues donde la energía disminuye con el aumento del ancho de banda.
LANZAMIENTO DE POTENCIA FUENTE – FIBRA PATRÓN DE EMISIÓN DE LA FUENTE La combinación de fuente de luz de fibra, calidad de fibra y diámetro de núcleo de la fibra determinará no sólo la distancia funcional del canal, sino también la velocidad de las comunicaciones. Recientemente, la fibra multimodo ha experimentado una transición de fibra de 62,5/125 (núcleo/blindaje) en varias calidades a fibra de 50/125 micras, también disponible en varias calidades, incluyendo la fibra de máximo rendimiento optimizada para láser. La fibra multimodo es normalmente la opción para distancias más cortas. La luz se lleva en varias rutas o modos. Un modo es la transmisión de luz en un estado constante. La fibra monomodo permite una única ruta/modo y es adecuada para aplicaciones de más largo alcance. La electrónica activa que respalda la fibra multimodo es menos costosa que la monomodo.
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La velocidad a la que viaja la luz en una fibra se mide por su índice de refracción. Se trata de una ecuación que compara la velocidad de la luz en un medio con su velocidad máxima en el vacío. Esta luz viaja en el espectro no visible, normalmente 850 nm, 1300 nm o 1550 nm. El espectro visible termina aproximadamente a 750 nm. Este espectro puede llevar señales analógicas y digitales. Los dispositivos que activan la fuente de luz convierten esas señales en pulsos de luz dentro del espectro requerido para la transmisión. En el otro extremo, otro dispositivo detecta los pulsos de luz que hay en cada modo y los convierte otra vez en señales analógicas o digitales que entiende el dispositivo conectado. La velocidad de la fibra se mide en hercios o ciclos por segundo. Cada ciclo equivale a un pulso u onda luminosa. Un hercio equivale a un ciclo. Como la fibra transmite a tasas de velocidad muy altas, medimos los pulsos/ciclos que un dispositivo lanza a la fibra en megahercios (millones de hercios por segundo). Debido a que la luz no se degrada con la distancia tan rápidamente como las señales eléctricas, la atenuación o pérdida de señal es inferior que en sus equivalentes de cobre. Ello permite que las ondas luminosas viajen mayores distancias.
APERTURA NUMÉRICA DE EQUILIBRIO. En óptica, la apertura numérica (AN) de un sistema óptico es un número adimensional que caracteriza el rango de ángulos para los cuales el sistema acepta luz. Recíprocamente, también está relacionado con el ángulo de salida del sistema. La definición exacta del término varía según diferentes áreas de la óptica.
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En la mayor parte de las áreas de la óptica, especialmente en microscopía, la apertura numérica de un sistema óptico tal como una lente queda definido por la siguiente ecuación:
donde n es el índice de refracción del medio en el que la lente se encuentra (1 para el aire, 1,33 para el agua pura, y hasta 1,56 para algunos aceites), y θ es la mitad del ángulo de aceptancia máximo que puede entrar o salir de la lente. La AN se mide generalmente con respecto a un objeto o a un punto de una imagen y varía con la posición del punto.
Ángulo de Aceptancia: es el máximo ángulo en el cual el rayo de luz incidente es atrapado por las paredes de la fibra. En este caso el rayo de luz se refleja totalmente en el recubrimiento de la misma, por lo que el ángulo de transmisión, sobre el recubrimiento de la fibra, es 90º.
Las fibras ópticas multimodo sólo guían la luz que entra en la fibra dentro de un determinado cono de aceptancia. La mitad del ángulo de este cono es el ángulo de aceptancia,θmax. Para fibras con perfil de salto de índice multimodo, este ángulo de aceptancia viene determinado por la siguiente expresión
donde nn es el índice de refracción del núcleo de la fibra, y nc es el índice de refracción de la cubierta. Debido al gran parecido de esta expresión con las definiciones de AN de otras áreas de la óptica, es habitual llamar así al término de la derecha de la ecuación anterior, definiendo finalmente la apertura numérica de una fibra como , donde nn es el índice de refracción del eje central de la fibra. Nótese que cuando se usa esta definición, la relación entre la apertura numérica y el ángulo de aceptancia es una mera aproximación. En particular, los fabricantes suelen dar la AN para fibras 32
monomodo básandose en esta expresión, aunque para este tipo de fibras el ángulo de aceptancia es algo diferente y no depende solamente de los índices de refracción de núcleo y cubierta.
CÁLCULO DEL ACOPLE DE POTENCIA. Potencia Acoplada de la Fuente a la Fibra Fuente Óptica
Patrón de Radiación de la Fuente
Angulo de Aceptación de la Fibra
Área Activa
Potencia Perdida As y Ωs son el Área y el ángulo de emisión fijo de la fuente Af y Ωf son el Área y y el ángulo fijo de aceptación de la Fibra
PF B( As , s )d s dAs Af f
rm
2
0
0
2 0
0 m ax
0
B( , ) sin dd d rdr s
Potencia Acoplada del LED a la Fibra rs
P 0
0 m ax 2B0 cos sin d d s rdr 0 0
2
rs
B0
2
sin
0
0
rs
2
0
0
B0
2
0 m axd s rdr 2
NA d rdr s
PLED,step 2 rs B0 ( NA)2 2 2 rs B0 n1 2
2
2
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Potencia Acoplada del LED a la Fibra de Salto de Índice (Step-Index Fiber)
Potencia Total Óptica del LED: 2 / 2
Ps As
B( , ) sin dd
0 0
/2
Ps rs 2B0 cos sin d 2 rs B0 2
2
0
Potencia Acoplada del LED a la Fibra de Índice Gradual (Graded-Index Fiber) La Potencia acoplada desde el LED a la fibra indexada graduada se da como:
Si el medio entre la fuente y la fibra es diferente del material de núcleo con índice de refracción n, la potencia acoplada en la fibra se reducirá por el factor: n n R 1 n1 n
2
34
LANZAMIENTO DE POTENCIA VERSUS LONGITUD DE ONDA. La potencia óptica sólo depende de la radiación (luminosidad) y no en la longitud de onda del modo. Para un número de fibras de índice gradual de modos está relacionada con la longitud de onda como: 2 2an1 M 2 Por lo tanto el doble de muchos modos se propagan para 900nm en comparación con 1300nm pero la potencia radiada por el modo de una fuente es
Ps Bo 2 M Por lo tanto el doble de potencia es lanzado por modo para 1300nm, en comparación con el 900nm
ESQUEMA DE LENTES PARA MEJORAR EL ACOPLE. Varios esquemas de lentes posibles son: 1. Fibra de extremo redondeado 2. Microesferas Anidólicas (esfera pequeña de cristal en contacto tanto con la fibra y la fuente) 3. Esfera Imagen (una lente esférica más grande utilizado para la imagen de la fuente en la zona núcleo del extremo de la fibra) 4. Lente cilíndrica (generalmente formado a partir de una sección corta de la fibra) 5. LED de superficie esférica y fibra de extremo esférico 6. Fibra de extremo Afilada o Cónica
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2
3
4
5
6
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Problemática en el uso de la lente: Un problema es que el tamaño de la lente es similar a la fuente y las dimensiones del núcleo de fibra, que introduce dificultades de fabricación y de manipulación. En el caso de la fibra de extremo cónica, la alineación mecánica debe llevarse a cabo con gran precisión.
UNIONES FIBRA A FIBRA: Las Fibras Intercomunicadas en un sistema de fibra óptica es otro factor muy importante. Estas interconexiones deben ser de baja pérdida. Estas interconexiones se producen en:
La fuente óptica El Fotodetector Dentro del cable de donde se conectan dos fibras Punto intermedio en un enlace donde se conectan dos cables
La Conexión Puede Ser:
Vínculo permanente: conocido como EMPALME Conexión fácilmente desmontable: Conocido como CONECTOR
Todas las técnicas de unión están sujetas a diferentes niveles de pérdida de energía en la unión. Estas pérdidas dependen de diferentes parámetros como:
Distribución de energía de entrada a la unión Longitud de la fibra entre la fuente y la unión Características geométricas y de guía de onda de los dos extremos de la unión Cualidades del extremo de la fibra
La potencia óptica que se puede acoplar de una fibra a la otra se limita por el número de modos que pueden propagarse en cada fibra Una fibra con una capacidad de 500 modos conectada con la fibra de la capacidad de 400 modos sólo puede acoplar 80% de la potencia Para una fibra GIN con un radio del núcleo ―a‖, índice n2 de revestimiento, k = 2π/, y n(r) como la variación en el perfil de índice de núcleo, el número total de modos se puede encontrar a partir de la expresión
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Esta ecuación se puede asociar con la apertura numérica local general para producir
Como las diferentes fibras pueden tener diferentes valores de a, NA (0) y α, de modo que M puede ser diferente para diferentes fibras La fracción de energía que puede ser acoplado es proporcional al volumen de modo común de Mcomm. La eficiencia de Acople Fibra-a-Fibra F está dada por:
Donde ME es el número de modos en la fibra emisora. La pérdida de acoplamiento fibra a fibra LF se da en términos de F como:
LF = -10 log F
Caso a: Todos los modos igualmente excitados, unión con fibra del mismo tamaño que tiene incluso una ligera desalineación mecánica puede causar la pérdida de potencia
Caso B: La propagación de modos en el estado de equilibrio tienen un equilibrio NA. La unión con una fibra óptica del mismo tamaño del núcleo y mismas características se encontrará (unirá) a una NA de tamaño más grande en la fibra receptora y hasta una desalineación mecánica no puede causar la pérdida de potencia. Este caso es para fibras más largas. La pérdida de potencia se produce cuando en la fibra receptora alcanza el estado de equilibrio
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DESALINEAMIENTOS MECÁNICOS Alineación mecánica es el principal problema cuando se unen dos fibras teniendo en cuenta su tamaño microscópico. Un núcleo de la fibra multimodo GIN estándar es 50 – 100μm de diámetro (grosor de un cabello humano) La fibra monomodo tiene diámetro de núcleo de 9μm. Las pérdidas por radiación se producen porque el cono de aceptación de la fibra emisora no es igual al cono de aceptación de la fibra receptora. La magnitud de la pérdida de la radiación depende del grado de desalineación Pueden producirse tres tipos diferentes de desalineación a) Separación longitudinal b) Desalineación angular c) El desplazamiento axial o desplazamiento lateral
PÉRDIDAS RELACIONADAS A LA FIBRA. Igual que con el cobre, la pérdida o atenuación de señal en la fibra se mide en decibelios (dB). La atenuación de la fibra aumentará con cada conector o empalme. Normalmente la pérdida de empalme es de unos 0,2 dB por empalme. No obstante, las terminaciones deficientes pueden aumentar esa cifra. La estimación de pérdida de fibra compara la pérdida real con la estimada (o pérdida aceptable) según el número de empalmes en el canal. Para medir esta pérdida, debe utilizarse un medidor de potencia y una fuente de luz. Probar una fibra estrictamente con un reflectómetro óptico con indicación temporal (OTDR) proporciona la caracterización del segmento de fibra, pero no facilita el rendimiento definitivo.
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Se encuentran dos tipos de atenuación en cables de fibra óptica: intrínseca y extrínseca. La atenuación intrínseca es inherente a la fibra y se introduce durante el proceso de fabricación. Un ejemplo serían las impurezas o irregularidades dentro del vidrio. Ello provoca que las señales luminosas sean absorbidas o dispersadas y es el motivo por el que algunas fibras admiten mayores distancias de aplicación que otras. Los avances en fabricación han introducido una nueva calidad de fibra multimodo conocida como fibra optimizada para láser. Esta fibra incorpora dos mejoras de fabricación esenciales. La primera es la eliminación de las anomalías mencionadas anteriormente, reduciendo impurezas en el núcleo de la fibra. La segunda es un mayor control del índice de refracción, lo que reduce la dispersión de modo asegurando que lleguen todos los modos al receptor básicamente al mismo tiempo. La combinación de esas mejoras aumenta mucho la capacidad de ancho de banda de la fibra, cuyo resultado es la compatibilidad con aplicaciones de mayor velocidad, incluyendo transmisiones a 10 Gb/s, así como distancias de transmisión más largas. TIA hace referencia a esta fibra como fibra optimizada para láser mientras que ISO/IEC lo hace como fibra de calidad OM3.
La atenuación extrínseca se introduce durante la manipulación de cables. Ejemplos serían pequeñas tensiones mecánicas (micro-torcimientos) o vulneraciones del radio de curvatura (macro-torcimientos) y el resultado es que la luz se refracta fuera del núcleo. Hay que respetar los límites de radio de curvatura especificados por el fabricante en todas las instalaciones de fibra.
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En la fibra, las señales y los pulsos deben ser entendidos por el receptor en cada extremo. Hacer un tendido demasiado largo de un canal de fibra puede causar errores, como pueden hacerlo excesivos empalmes, poca calidad de la fibra y una instalación deficiente. Cualquier anomalía que impida que un receptor registre los pulsos equivaldrá a un error binario.
PREPARACIÓN DE LA FIBRA de fibra óptica se necesita una fuente de luz. Puede ser un LED (diodo emisor de luz), un láser (amplificación de luz por emisión estimulada de radiación) o un VCSEL (láser emisor de superficie vertical). Los láseres y los VCSEL proporcionan una fuente de luz más intensa y enfocada por lo que pueden transmitir mayores distancias que sus equivalentes LED. El equipo que genera la señal mediante las dos últimas tecnologías es más caro que una fuente LED. Con independencia del tipo de fibra, el hecho de situar los pulsos de luz en la fibra se conoce como "lanzar". El método de lanzamiento puede variar desde un lanzamiento saturado a un lanzamiento de modo restringido. Como se expuso anteriormente, la ruta de la luz se llama modo. En un lanzamiento saturado, la luz introduce una señal de mayor tamaño que el núcleo real de la fibra. Eso permite que todos los modos se exciten. En lanzamiento de modo restringido, se introduce un núcleo de luz más pequeño que excita sólo determinados modos en la fibra. En monomodo, sólo se excita una única ruta o modo. Los pulsos de luz pueden dispersarse dentro de la fibra con la distancia, lo que se conoce como dispersión. Cuando los pulsos se superponen, pueden limitar la capacidad del receptor para registrar pulsos distintos, limitando en consecuencia el ancho de banda de una fibra. La luz viaja a diferentes velocidades en diferentes colores también. Para contrarrestar cierta pérdida de dispersión, la fuente de luz puede proporcionar lo que se 40
llama un lanzamiento restringido, normalmente empleado para aplicaciones de mayor velocidad.
En vez de llenar todos los modos en una fibra con luz, sólo determinados modos se excitan y por lo tanto se restringe la gama de pulsos y los efectos de dispersión. A longitudes de onda más largas para velocidades de gigabit funcionando en calidades más antiguas de fibra multimodo de 62,5/125 micras, el lanzamiento restringido provoca retardo de modo diferencial (las señales no llegan al receptor al mismo tiempo). Para esas aplicaciones, deben utilizarse latiguillos acondicionadores de modo. Esos latiguillos proporcionan un desfase de manera que la luz no entra directamente en el centro del núcleo de la fibra. Al desfasar el haz hacia un área fuera del centro del núcleo, la dispersión se minimiza. Debe utilizarse un juego de latiguillos de lanzamiento restringido en cada extremo del sistema. El ancho de banda de la fibra es la capacidad de transmisión de información de la fibra. Es inversamente proporcional a la cantidad de dispersión. Así, la medida en la que pueda controlarse la dispersión determina esencialmente el ancho de banda utilizable de la fibra. Especificaciones ISO para ancho de banda multimodos Ancho de MHz • km
banda
mínimo
de
modo
Tipo de Diámetro del Longitud de Lanzamiento fibra onda (nm) saturado (OFL) núcleo(μm) óptica
Lanzamiento de modo restringido (RML) 850 nm
OM1
50 or 62.5
850 1300
200 500
No especificado No especificado
OM2
50 or 62.5
850 1300
500 500
No especificado No especificado
OM3
50
850 1300
1500 500
2000 No especificado 41
Nota: El ancho de banda efectivo de lanzamiento de láser se garantiza usando retardo de modo diferencial (DMD), como se especifica en IEC/PAS 6073-1-49. Especificaciones TIA para ancho de banda multimodo Ancho de MHz • km Tipo de óptica
fibra Longitud onda (nm)
banda
de Lanzamiento saturado (OFL)
mínimo
de
modo
Lanzamiento de restringido (RML)
modo
62.5/125μm
850
160
No se requiere
Mulitmode
1300
500
No se requiere
50/125μm
850
500
No se requiere
Multimode
1300
500
No se requiere
Laser-Optimized
850
1500
2000
50/125μm Multimode
1300
500
No se requiere
ISO/IEC 11801 Ed2.0 define tres tipos ópticos de fibra multimodo. OM1 principalmente comprende la fibra histórica de 62,5/125 micras. OM2 tiene un ancho de banda efectivo de 500 MHz•km a ambas longitudes de onda y representa la fibra de calidad estándar de 50/125 micras. OM3 tiene un ancho de banda de 1500/500 MHz•km para lanzamientos saturados y 2000 MHz•km con un lanzamiento de modo restringido, y se conoce por TIA/EIA como fibra ―optimizada para láser‖ de 50/125 micras. CONOCER LA PARTE DEL LADO DEL EQUIPO Cada pieza de la electrónica activa tendrá varias fuentes de luz empleadas para transmitir a través de los distintos tipos de fibra. La distancia y el ancho de banda variarán con la fuente de luz y la calidad de la fibra. En la mayoría de redes, la fibra se utiliza para operaciones de enlace ascendente/red troncal y para conectar varios edificios juntos en un campus. La velocidad y la distancia son una función del núcleo, del ancho de banda de modo, de la calidad de la fibra y de la fuente de luz, cuestiones tratadas anteriormente. Para transmisiones de gigabit, las distancias aprobadas por IEEE se muestran en la tabla siguiente. GBIC
Longitud de Tipo de Diámetro del Ancho de banda distancia onda (nm) fibra núcleo (micras) modal (MHZ/km) del cable
1000BASE- 850 SX
MMF
62.5
160
722 (220m)
ft.
62.5
200
920 ft. (275 42
m)
1000BASE- 1300 LX
MMF¹
1000BASE- 1550 EX
SMF
50
400
1640 (500m)
ft.
62.5
500
1804 (550m)
ft.
50
400
1804 (550m)
ft.
9/10
N/A
6.2 miles (10km)
9/10
N/A
43.4 to 62 miles (70 to 100km)
¹ Se requiere un latiguillo acondicionador de modo. Como puede verse, según el tipo de fibra y el tipo de fuente de luz, las distancias admitidas varían entre 220 m y varios kilómetros. Algunas son únicamente monomodo como se indica. El coste de cada opción aumenta con la distancia debido al tipo de fuente de luz. Cada una de esas distancias son valores máximos basados en el tipo, calidad e instalación de las fibras. La pérdida adicional introducida puede cambiar las distancias en gran medida. Los GBIC (conversores de interfaz gigabit) que aparecen en la columna uno están indicados como SX (corta distancia), LX (larga distancia) y EX (muy larga distancia). También es importante observar que el uso de fibra monomodo para distancias cortas puede causar que el receptor se vea desbordado y es posible que se necesite un atenuador en línea para introducir atenuación en el canal. Para hacer notar la diferencia entre velocidades y calidad, en la siguiente tabla se comparan distancias, empezando con aplicaciones de 100 Mb/s hasta llegar a aplicaciones de 10 Gb/s. Como puede verse, las anomalías en la fibra, las fuentes de luz y las velocidades globales de ancho de banda inciden en las distancias a través de las que se puede llevar una señal por la fibra. La distancia aumenta con productos de fibra optimizados para láser y, por lo tanto, brindarían el retorno de la inversión más alto. Las distancias adicionales admitidas eliminarían la necesidad de más electrónica costosa y repetidores dentro de la red de fibra. Aplicación
Londigud de Onda
62.5μm 160/500
62.5μm 200/500
50μm 500/500
50μm 2000/500
100BASE-SX
850nm
300m
300m
300m
300m
1000BASE-SX
850nm
220m
275m
550m
550m
SMF
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1000BASE-LX
1300nm
550m
550m
550m
550m
5km
10GBASE-SR*
850nm
28m
28m
86m
300m
10GBASE-LR*
1310nm
10km
10GBASE-ER*
1550nm
40km
10GBASE-LRM
1300nm
220m
220m
220m
220m
10GBASE-LX4
1310nm
300m
300m
300m
300m
10km
*Esas interfaces también se ven indicadas con una X en lugar de la R, pero se pueden usar indistintamente. La interfaz de la fibra para 10Gb/s se llama Xenpack, a diferencia de GBIC para gigabit. Tanto 10GBASE-SR como 10GBASE-LR tienen un equivalente de comunicaciones de área extensa para permitir que se conecten a redes SONET a 9,584640 Gb/s (OC-192) a través de su interfaz de área extensa. Esas interfaces se conocen como 10GBASE-SW y 10GBASE-LW respectivamente. Ahora que la velocidad gigabit en el escritorio se hace habitual, también son más comunes las redes troncales de 10 Gb/s. Las interfaces SR también se están haciendo comunes en aplicaciones de centros de datos e incluso en algunas aplicaciones de escritorio. Como puede verse, la fibra de calidad más elevada (o fibra optimizada para láser) proporciona más flexibilidad para una instalación de planta de fibra. Aunque algunas versiones (10GBASE-LRM y 10GBASE-LX4) admiten calidades más antiguas de fibra para distancias de 220 m o más, el equipo es más costoso. En muchos casos, resulta menos caro actualizar fibra que comprar los componentes más costosos que también comportan costes superiores de mantenimiento con el tiempo. Parte de la solución 10G ip™ de Siemon, el sistema de fibra XGLO®, es ideal para aplicaciones de redes troncales de próxima generación o de fibra hasta el escritorio. Los grupos de cable XGLO cuentan con fibra de la mejor calidad que cumple la norma Gigabit Ethernet IEEE 802.3 10, así como las especificaciones IEC-60793- 2-10 y TIA-492AAAC para retardo de modo diferencial de ancho de banda láser (DMD). XGLO utiliza fibra optimizada para láser con el fin de obtener un óptimo rendimiento de transmisión de aplicaciones Ethernet 1G o 10G
ACOPLE DE LEDS A FIBRAS MONOMODO. El Borde de emisión de los diodos de láser tienen un patrón de emisión que nominalmente tiene FWHM de
30 – 50° en el plano perpendicular a la unión área activa 5 – 10° en el plano paralelo a la unión 44
Como la distribución angular de la salida de láser es mayor que el ángulo de aceptación de la fibra y como el área de emisión de láser es mucho más pequeño que el núcleo de la fibra, se pueden utilizar:
Lentes esféricas Lentes cilíndricas Cono de fibra
Para mejorar la eficiencia de acoplamiento entre el borde de emisión de diodos láser y fibras ópticas La misma técnica se utiliza para los láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL). Las conexiones producidas en masa de matrices de láser para ser paralelo a la fibra multimodo tienen eficiencia de 35% Los Acoplamiento Directos (Sin lentes) de una sola fuente VCSEL a una fibra multimodo resulta en eficiencia de hasta un 90%. El uso de lentes de microesferas de vidrio homogéneas ha sido probado en serie de varios cientos de conjuntos de diodos láser. Lente de cristal esférica del índice de refracción de 1,9 y diámetros que oscilan entre 50 y 60μm pegados con resina a los extremos de 50 m de diámetro de núcleo de fibras de índice gradual con NA de 0,2. Los valores de FWHM medidos de los haces de salida de láser fueron los siguientes
b/w 3 y 9μm para el campo cercano paralelo a la unión b/w 30 y 60o para el campo perpendicular a la unión b/w 15 y 55o para el campo paralelo a la unión
Eficacias de acoplamiento en estos experimentos variaron entre 50 y 80%.
EMPALMES Para la instalación de sistemas de fibra óptica es necesario utilizar técnicas y dispositivos de interconexión como empalmes y conectores. Los conectores son dispositivos mecánicos utilizados para recoger la mayor cantidad de luz. Realizan la conexión del emisor y receptor óptico. En caso de que los núcleos no se empalmen perfecta y uniformemente, una parte de la luz que sale de un núcleo no incide en el otro núcleo y se pierde. Por tanto las pérdidas que se introducen por esta causa pueden constituir un factor muy importante en el diseño de 45
sistemas de transmisión, particularmente en enlaces de telecomunicaciones de gran distancia.
Los empalmes son las uniones fijas para lograr continuidad en la fibra. En las fibras monomodo los problemas de empalme se encuentran principalmente en su pequeño diámetro del núcleo Dn = 10μm, esto exige contar con equipos y mecanismos de alineamiento de las fibras con una mayor precisión. Las pérdidas de acoplamiento se presentan en las uniones de: Emisor óptico a fibra, conexiones de fibra a fibra y conexiones de fibra a fotodetector.
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Las pérdidas de unión son causadas frecuente-mente por una mala alineación lateral, mala alineación de separación, mala alineación angular, acabados de superficie imperfectos y diferencias ya sea entre núcleos o diferencia de índices, como los indicados en la figura. Para realizar un empalme deben tenerse presente las siguientes consideraciones: Sus pérdidas pueden contribuir en forma considerable con el balance de potencia del sistema (menor alcance). Deben realizarse en el campo, no han de incluir partes delicadas difíciles de manejar o procedimientos complejos (Empalmes económicos confiables y de calidad). Las pérdidas se clasifican en intrínsecas (homogeneidad y composición de la fibra) y extrínsecas (proceso de empalme, desalineación).
TÉCNICAS DE EMPALME Existen fundamentalmente 2 técnicas diferentes de empalme que se emplean para unir permanentemente entre sí fibras ópticas. La primera es el empalme por fusión que actualmente se utiliza en gran escala, y la segunda el empalme mecánico.
EMPALME POR FUSIÓN Consiste en la unión permanente de las fibras mediante la fusión y unión de las mismas. Anterior a la fusión de las fibras se calientan previamente para eliminar ciertas impurezas, evitar la formación de burbujas. El empalme se realiza cuando las fibras a unir llegan a una temperatura suficientemente alta como para fundirse. La duración del proceso puede estar en un minuto. Luego se protege la zona del empalme con manguito (termocontractil) el cual se le recubre con un tubito de acero (rigidez). Técnica de muy altas prestaciones, se logran atenuaciones de 0,03-0,05dB (fibras monomodo). También existen empalmadoras por fusión para multifibras las cuales reducen el tiempo de empalme por fibra. Tienen el mismo principio descrito, pero las fibras a empalmar se alinean con un elemento alineador multifibra de ranuras.
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EMPALME POR ADHESION Las fibras son insertadas en un mecanismo de alineación y luego unidas con un adhesivo epoxico. Mecanismos de alineación: Ranura en V: Tallada en un substrato metalico, cerámico o plástico Base tres cilindros: El empalme es hecho introduciendo la fibra dentro de tres tubos de alineación. 48
Base tubo ajustado: Se introduce la fibra dentro de un tubo o manguito de vidrio agujereado perfectamente circular (3µm mayor que el diámetro de la fibra). Base tipo cuadrado: Se introduce la fibra dentro de un tubo de sección cuadrada, haciéndolo ángulo de modo de orientarlas hacia la esquina.
El adhesivo epoxico además de servir como elemento de unión es adaptador de índices de refracción. Pueden optimizarse mediante rotación de una de las fibras. Se logran perdidas de inserción de 0,1-0,5dB.
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EMPALME MECÁNICO Consiste en un tubo dividido horizontalmente, la parte de abajo es una base tipo V y la de arriba una tapa plana. El espacio entre ambas se llena de un gel adaptador, se insertan las fibras cortadas (de longitud determinada) y luego se cierran con unas grapas de presión que empujan las fibras hasta juntarlas. Existen versiones para conexiones multifibrasplanares.
EMPALMES EN FIBRAS MONOMODO. Los empalmes por fusión se utilizan sobre todo con fibra monomodo y basándonos en razonamientos de calidad técnica podemos asegurar que los empalmes por fusión son los mejores ya que ofrecen menores pérdidas de inserción y altas pérdidas de retorno (menores reflexiones), pero existen otras razones que hay que tener en cuenta al decidir el tipo a utilizar, éstas pueden ser: económicas, tecnológicas y logísticas. En cuanto a las razones económicas, se debe tener en cuenta que los empalmes mecánicos requieren una inversión inicial menor, que la necesaria para los empalmes por fusión, dependiendo de la calidad y precisión de la máquina y herramientas), pero el coste del material fungible para la realización de cada empalme mecánico es más elevado que para 50
los empalmes por fusión, ya que una vez realizados solamente es necesario utilizar un protector termo contráctil con refuerzo metálico cuyo coste es reducido . Las razones tecnológicas vendrán marcadas por el tipo de industria en la que se realicen los empalmes. En el sector de telecomunicaciones y redes de CATV, se utilizan fibras monomodo y donde las longitudes de los cables sean elevadas se requerirán empalmes con bajas pérdidas de inserción, por lo que el empalme por fusión es el más adecuado, pero en enlaces de cortas distancias . En cuanto a los condicionantes logísticos hay que tener en cuenta que el espacio necesario para la realización de empalmes mecánicos es menor que el que se necesita para los empalmes por fusión y que para estos últimos es preciso energía, aunque en los últimos años proviene de baterías, la realización de los empalmes mecánicos no requiere ningún tipo de alimentación. Estas características hacen que los empalmes mecánicos sean muy adecuados para realizar reparaciones rápidas, aunque en algunos casos, éstas sean provisionales
CONECTORES Los cables de fibra óptica se unen con conectores especiales o se empalman entre sí. Los conectores de fibra óptica están hechos de un casquillo, un cuerpo conector y un mecanismo de acoplamiento. El casquillo es un cilindro delgado que sostiene la fibra óptica en su centro ahuecado. Los conectores de fibra óptica pueden fabricarse con metal, plástico o cerámica. El cuerpo del conector está hecho de plástico o metal. Este sostiene el casquillo y conecta con la funda exterior del cable. El mecanismo de acoplamiento es el cuerpo que sostiene al conector en su lugar cuando se conecta a un dispositivo electrónico. Los conectores de fibra óptica pueden ser un clip de cierre de presión y clic, un conector con rosca o un conector de tuerca de giro y enganche de estilo bayoneta.
Los conectores desmontables tienen una mayor complicación ya que deben mantener una mínima atenuación en numerosas conexiones y desconexiones. Por tanto el diseño del conector debe permitir la conexión y desconexión sin problemas de alineamiento, este proceso mecánico es fácil ver que puede llevar a la degradación de la unión. Para mantener características óptimas los conectores también deben proteger a los extremos de las fibras del daño que pueden sufrir al manejarlos, debe ser insensible a factores ambientales (como humedad o polvo) y debe soportar la tensión del cable. También debe (idealmente) ser un componente de bajo costo (no es cierto) y permitir la conexión de forma simple. Tras todo esto cabe afirmar que hay que analizar a los conectores de fibra bajo una triple perspectiva El punto de conexión, que ha de proteger el extremo de la fibra. El alineamiento entre fibras para conseguir un acoplamiento óptico óptimo.
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La carcasa, que mantiene la conexión y el alineamiento de las fibras, protege la parte desnuda de las fibras del ambiente y proporciona rigidez a la unión. El uso de algún material con el índice de refracción del núcleo entre las dos fibras puede ser de ayuda ya que elimina la atenuación por reflexión Fresnel y mantiene los extremos de la fibra limpias de polvo ambiente. Sin embargo no son una solución ya que por contra no es práctica la existencia de ningún material no sólido en la zona en la que se conecta y desconecta ya que los fluidos fluirán derramándose y además atraerán polvo, que no llegará a la fibra pero servirá como barrera al paso de la luz. Hay muchos conectores para fibra en el mercado y que tienen pérdidas en el rango de 0.2 a 0.3dB.Pueden separarse en dos categorías: los conectores de proximidad (buttjointedconnectors) y los de haz expandido (expandedbeamconnectors). La funcionalidad de los primeros descansa en conseguir que los extremos de las fibras estén lo más cercanos posible de forma que los núcleos coincidan, los segundos hacen uso de lentes de forma que el emisor expande el haz y el receptor lo enfoca al núcleo de su fibra.
TIPOS DE CONECTORES CONECTORES DE PROXIMIDAD Los más utilizados son los de proximidad. Vamos a describir brevemente losconectores de camisa concéntrica (Cylindricalferruleconnectors). Es el conector más simple, la fibra desnuda está pegada (con resina) a una ferrula (cilíndro metálico) cuyo agujero central tiene el diámetro de la fibra. Una vez fijada la fibra (estos conectores son macho) se introducirán en un cilíndro guía de precisión que permite que los extremos de las fibras estén pegados. Una vez colocado el conector se fija mediante un mecanismo de retención que puede ser un muelle. Para este tipo de conector es muy importante que los extremos de las fibras sean suaves y perpendiculares al eje de la fibra. Para conseguir esto se puede hacer de varias formas: 1. Clivandola fibra antes de introducirla en la ferrula. 2. Introducir la fibra en la ferrula y clivandoladespués, justo en el final de la ferrula. 3. Utilizar cualquiera de los métodos anteriores y después pulir la fibra hasta que quede justo en el extremo de la ferrula.
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Figura 6.9: Conectores de camisa concéntrica: (a) estructura de un conector básico; (b) estructura de un conector con salida de precisión.
Figura 6.10: Esquema simplificado del funcionamiento de un conector de haz expandido. El último sistema es el que da mejores resultados pero es el más tedioso y complicado, sobre todo en campo abierto. Los errores de alineamiento del sistema hacen que las pérdidas estén en el orden de 1 a 2dB con fibras multimodo abruptas.
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Para solucionar problemas de alineamiento y simplificar la fabricación de las ferrulas se añade en el extremo del conector un terminador (watchjewel) de precisión (figura 6.9)que será el que en poco espacio hace el trabajo que antes hacia la ferrula, con este tipo de mejoras se consiguen atenuaciones entre 0.2 y 0.3dB. Comercialmente existen varios de estos tipos de conectores, los tipos más comunes son los ST (straighttip), SMA (subminiatureassembly), FC (fiberConnector), PC 3(physicalcontact) y SC (subscriberconnector). Este sistema de conector no es el único, también podemos encontrarnos con conectores de ferrulabicónicos, con los doblemente excéntricos y con conectores para dos fibras y para múltiples fibras. CONECTORES DE HAZ EXPANDIDO La alternativa a los conectores de proximidad son estos, podemos ver su principio de funcionamiento en la figura 6.10, puede verse en la figura como la luz se expande debido a la apertura numérica de la fibra, el haz se convierte en un haz paralelo debido a una lente convergente con distancia focal adecuada (¿Cuánto vale la f para esta lente?) y posteriormente otra lente convergente enfocará este haz en el núcleo de la segunda fibra. El uso de la óptica convierte el alineamiento entre conectores en algo mucho menos crítico, la distancia entre fibras ya no es importante mientras que antes fuera crucial. Pero por supuesto esto no es gratuito y se hace a expensas de unas exigencias angulares mayores. Este tipo de conectores son muy útiles para conexión de múltiples fibras y para placas de circuito impreso donde los alineamientos lateral y longitudinal son difíciles de conseguir. Estos conectores tienen como ventaja de utilización que sus resultados son muy repetitivos y consiguen sin problemas atenuaciones menores de 0.5dB. SEGÚN SU UTILIDAD, los conectores se clasifican en:
Tipos de conectores de la fibra óptica.
FC, que se usa en la transmisión de datos y en las telecomunicaciones. FDDI, se usa para redes de fibra óptica. LC y MT-Array que se utilizan en transmisiones de alta densidad de datos. 54
SC y SC-Dúplex se utilizan para la transmisión de datos. ST o BFOC se usa en redes de edificios y en sistemas de seguridad.
SEGÚN EL TIPO DE FIBRA, los conectores se clasifican en: CONECTORES MONOMODO Las botas de los conectores monomodo son azules o blancas. El casquillo del conector a menudo está hecho de circonio, que es un tipo de cerámica. El casquillo monomodo tiene un agujero más pequeño que el del casquillo multimodo y no es detectable a simple vista. CONECTORES MULTIMODO Las botas de los conectores multimodo son de color beige o negras. La bota es la parte del conector que está cubierta por un mango en el que termina el cable de fibra óptica. El casquillo de un conector multimodo puede fabricarse de acero inoxidable, un compuesto de plástico y circonio cerámico
PÉRDIDAS POR RETORNO La Pérdida por Retorno Óptica (ORL) se define como la cantidad de energía que regresa al transmisor y que por consiguiente se pierde, esto es ocasionado por la misma fibra y por todos loa acoplamientos mecánicos y terminaciones. Un ORL alto puede afectar algunos sistemas de transmisión, por ejemplo, una reflexión de luz alta tiene un impacto fuerte en las señales de video en RF, resultando en mala calidad de la imagen. El ORL se mide en dB y entre más grande sea el valor, significa que hay menos energía reflejada, por lo que es mejor, por ejemplo, un valor de ORL de 40dB es mejor que uno de 30 dB. Para medir el ORL el método más preciso es el OCWR (Reflectometro de Onda continua) que tiene una precisión de ±0.5 dB a diferencia de un OTDR que ofrece una precisión de ± 2dB.
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Al igual que en las pruebas de pérdida de Inserción, para medir ORL usando un medidor basado en OCWR, primero es necesario tomar una referencia para obtener el valor ORL0 utilizando el patchcord que se va a usar para la medición y un terminador que anule la reflexión causada por el conector suelto en el extremo final. Si no se cuenta con un terminador, se puede usar un cable de fibra enrollado alrededor de un lápiz por ejemplo. Una vez tomada la referencia, se conecta el instrumento a la fibra bajo prueba y se traslada el terminador al extremo lejano del enlace. El valor medido en la pantalla del instrumento es el ORL del Enlace.
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CONCLUSIÓN
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BIBLIOGRAFÍA
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