leds y lds en comunicacioens opticas

7/24/2019 LEDs y LDs en Comunicacioens Opticas

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LEDS Y LDS EN COMUNICACIONES PTICASPara que un dispositivo emisor de luz pueda emplearse para transmitir informacin se

necesita que cumpla unas serie de condiciones. Las ms importantes son:

que produzca un haz monocromtico

que la radiacin se pueda acoplara la fibra ptica con facilidad,

que la potencia ptica se pueda modularpor medios electrnicos

que la respuestasea suficientemente rpida.

Los emisores preferidos en Comunicaciones pticas guiadas son dispositivos

optoelectrnicos semiconductores que operan en el infrarrojo prximo, concretamentediodos emisores de luz (LED) y diodos lser (LD).

En un bloque previo de apuntes se repasaron algunos aspectos de la teora de SCs unin

p-n, diagramas E-k, niveles y seudoniveles de Fermi y su relacin con los emisores. En

este bloque se van a dar por sabidos los conceptos mostrados all, aunque se repasan

ciertos detalles adicionales. Posteriormente se introduce el fundamento de la emisin en

uniones p-n y se aplica a LEDs y LDs. Para stos ltimos se necesita adems el

conocimiento previo del comportamiento de cavidades Fabry-Prot y de la emisin

estimulada, que tambin se han presentado en bloques anteriores.

Figura 1. La emisin de un LED se produce en la zona depletiva, donde existe abundancia de electrones yhuecos producindose abundantes recombinaciones. En el resto del diodo no hay suficientespares para que la tasa de recombinacin sea significativa.


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COPT2004 IEM-JMOLEDs y LDs 2

EMISIN EN UNIONES p-n

Una unin p-n fuertemente dopada y polarizada en directa acumula abundantes electrones

y huecos en la zona depletiva, aumentando significativamente la tasa de recombinacin

radiativa. Un LED (Fig. 1) es un diodo que emite una parte significativa de la energa de

recombinacin e--h+en forma de fotones (luz).

Gapdirecto e indirecto

No todos los materiales SC son adecuados para utilizarse como LEDs. Tan slo aquellos

que poseen gapdirecto en un diagramaE-k(materiales III-V, por ejemplo) presentan tasas

de recombinacin radiativa que compiten con las tasas no radiativas. La razn es que los

materiales de gap directo pueden recombinar sus pares e--h+ emitiendo simplemente un

fotn, mientras que los de gapindirecto deben absorber o emitir un fonn simultneamente

a la emisin del fotn. Recurdese que en una representacin E-k, los fotones son eventos

(casi) verticales gran intercambio de energa, poco momento mientras que los fonones

son (casi) horizontales gran intercambio de momento, poca energa. En la figura 2 se

representan ambos casos, utilizando una aproximacin parablica del mnimo de la banda

de conduccin y el mximo de la banda de valencia:

valenciadebandalaen

yconduccindebandalaen

v

v

c

c

m

kEE

m

kEE

2

222

22

h

h

=

+=

{1}

Figura 2. Los materiales de gap directo se pueden recombinar emitiendo un fotn. Los de gap indirectonecesitan negociar simul tneamente un fotn y un fonn, proceso altamente improbable. Por ellono sirven como emisores (aunque s como detectores).


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siendo mcy mvlas masas efectivasdel electrn en BC y del hueco en BV respectivamente.

En la figura 2 se observan tambin las posiciones de los seudoniveles de Fermide BV y

BC. En cada banda por separado, estos seudoniveles marcan la energa para la cual la

presencia de un electrn o un hueco son equiprobables. Las zonas coloreadas en BC y BV

marcan respectivamente el rango de energas en que predominan los e-en BC y los h+en

BV. Esas regiones son precisamente las que producen mayor cantidad de recombinaciones,

determinando el mximo de emisin del material SC. Obsrvese tambin que, tal como

estn situados los seudoniveles, existe una inversin de poblacin entre la parte inferior

de BC y la superior de BV. Esta circunstancia ser aprovechada cuando planteemos el

diseo de diodos lser.

Anchura espectral y pico de emisin

Tal como se vi en el captulo de semiconductores, los electrones de BC tienden a

hundirse a la parte inferior de la banda, y los huecos de BV tienden a flotar a la parte

superior, siguiendo ambos la distribucin de Fermi-Dirac. Sin embargo, el mayor nmero de

portadores se sita en una zona ligeramente superior (BC) e inferior (BV), ya que la

densidad de estados es muy baja en los bordes de las bandas. As pues, el pico de

emisin de un SC est ligeramente por encima de su gap. Adems depende de la

temperatura, puesto que sta modifica la distribucin de portadores. Como aproximacin se

puede calcular la posicin del pico como:

h

kTEg

p2

+

{2}

En cuanto a la anchura espectral, est tambin relacionada con la temperatura (aumenta al

aumentar sta, ya que se ensanchan las distribuciones de portadores en las bandas).

Resulta casi independiente del material y de la posicin del pico de emisin, y se puede

aproximar como

kT8,1 {3}

En la figura 3 se representan los espectros de emisin de algunos materiales III-V.

Obsrvese que la posicin del pico vara con el material. La anchura espectral en frecuencia

es casi idntica en todos ellos. En la figura las anchuras crecen hacia la derecha porque se

estn representando en funcin de la longitud de onda:

28,1

hc

kT {4}


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LA DOBLE HETEROESTRUCTURA

Hasta ahora hemos obviado un hecho fundamental, que supuso un obstculo notable en el

desarrollo de los LED y LD: la radiacin emitida en la unin p-npuede ser reabsorbidapor

las zonas p y ndel SC. Esto hace que el rendimiento cuntico externodel LED sea muy

bajo, ya que slo una pequea fraccin de la luz generada llega a salir al exterior.La solucin ms inmediata es hacer que la unin p-nest muy prxima a una de las caras

de salida. En este principio se basaron originalmente los LEDs de emisin superficial, que se

estudiarn ms adelante. Otra solucin ms elegante consiste en variar la composicin de

las distintas zonas del SC para modificar el tamao del gap. Los diodos cuya composicin

es idntica en las zonas py n (salvo dopados) se denominan diodos de homounin. Si la

composicin vara, se denominan heterouniones.

Casi todos los LEDs actuales emplean una doble heterounin, tambin llamada doble

heteroestructura(Fig. 4). En ellas, la composicin del material es diferente en la zona p, enla unin p-n y en la zona n. Con una doble heteroestructura se pueden conseguir varias

ventajas simultneas:

Transparencia. Si se hace que el gapde la unin p-nsea menorque los gapsde las

zonas p y n, los fotones emitidos por la unin no podrn ser reabsorbidos por dichas

zonas. As pues, el material se vuelve transparentea la longitud de onda de emisin.

Esta propiedad se emplea en casi todos los LEDs actuales, y es obligatoria en el caso

de los LD.

Figura 3. Espectros de emisin de algunos materiales III-V empleados en dispositivos optoelectrnicos


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Confinamiento. Si se dispone la estructura de bandas de forma escalonada, se puede

conseguir confinar los portadores en la unin, incrementando la posibilidad de

recombinacin.

Guiado. Al escoger los materiales de la heteroestructura, se puede buscar adems que

el ndice de refraccin de la unin sea superior al de las zonas py n. En tal caso, el

dispositivo se comporta pticamente como una guaonda. Esta propiedad se utiliza en

los LEDs de emisin lateral (edge-emitting LEDs o ELEDs) y en los LDs, donde el

guiado resulta imprescindible para crear la cavidad resonante.

Figura 4. Doble heteroestruc tura empleada en LEDs y LDs. Se consiguen simul tneamente tresefectos: evitar la reabsorcin de los fotones generados, confinar la recombinacin deportadores, y guiar la luz hacia la salida.


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EL LED

El LED es un dispositivo sencillo de manipular y econmico, que se adapta bien a enlaces

de Comunicaciones pticas de poco alcance y moderado ancho de banda. Tienen

habitualmente un diagrama de radiacin lambertiano(coseno), es decir, bastante abierto,

por lo que se adaptan mejor a fibras pticas con apertura numrica alta, como las fibras

multimodo. Es comn utilizar LEDs asociados a fibras multimodo de ndice gradual en

redes de rea local.

Los LED emiten luz incoherente, a diferencia de los LD. Funcionan por emisin espontnea.

Desde el punto de vista elctrico, un LED es un diodo que se polariza en directa, y necesita

para su funcionamiento una fuente de corriente. La respuesta ptica del LED es

(razonablemente) linealcon la corriente que lo atraviesa, hasta llegar a saturacin.

Los LED de primera ventana (850 nm) suelen fabricarse de GaAs y AlGaAs. Los de segunda

y tercera ventana utilizan InGaAsP e InP.

Existe tres tipos bsicos de LED para sistemas de comunicaciones pticas por fibra: el LED

de emisin superficial (SLED), el de emisin por borde o lateral (ELED) y el diodo

superluminiscente (SLD) o superradiante. Sus caractersticas electropticas y dinmicas

son diferentes, por lo que resultan apropiados en distintas aplicaciones. As, en distancias

cortas (0-3 km), con tasas binarias bajas, se usan SLEDs y ELEDs. Un SLED tpico puede

funcionar eficientemente hasta 250 Mbps. Van invariablemente asociados a fibras pticasmultimodo, puesto que su diagrama de radiacin suele ser bastante abierto (lambertiano).

Para distancias mayores y/o tasas binarias ms altas, se prefieren los ELED. stos pueden

modularse a tasas superiores a 400 Mbps, y se asocian tanto a fibras monomodo como

multimodo. A distancias y tasas an mayores se usan los ELED y los SLD. Los SLD son

ELEDs diseados para operar en modo superluminiciscente, por amplificacin de emisin

espontnea (ASE), tal como se comenta posteriormente.

LEDs de emisin superficial

Los SLED son diodos que emiten por una de sus caras, po n. Los ms conocidos son los de

tipo Burrus (Fig. 5), llamados as en honor de C.A. Burrus, que fue quien los desarroll.

Existe otra variedad llamada plana, que se diferencia bsicamente en la estructura,

Tanto en uno como en otro caso, el tamao de la regin activa de emisin se limita a una

zona circular de 2050 m, en el centro de la cara. Para mejorar la eficiencia, se adelgaza la

parte de la cara de emisin situada sobre la regin activa, ya sea por ataque qumico

(Burrus) o por construccin. Sobre el hueco practicado se suele fijar una fibra ptica con unadhesivo de tipo epoxi, de modo que la fibra queda situada perpendicularmente a la zona


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activa. Adems de garantizar un acoplamiento ptimo de la luz, el adhesivo permite

emparejar los ndices de refraccin reduciendo la reflexin Fresnel de las caras.

LEDs de emisin lateral

Los LEDs de emission lateral o de borde (edge-emitting LEDs o ELED) surgieron como

desarrollo posterior ante la demanda de fuentes que pudiesen alcanzar mayor distancia, a

mayor longitud de onda y con mayor tasa binaria.

En los ELED, la regin activa es una tira estrecha que se crea bajo la superficie del sustrato.

ste se corta o se pule de manera que la tira alcanza los dos extremos del dispositivo.Se

emplea una doble heteroestructura con los mismos fines que en los SLED, y adems como

guiaonda, haciendo el ndice de la zona activa superior al de las dos zonas inmediatas.

Tambin se confina lateralmente. La faceta trasera se suele tallar o recubrir para hacerla

Figura 5. LED de emisin superficial de tipo Burrus acoplado a una fibra.


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reflectante, mientras que la delantera, por donde se produce la salida del haz de luz, se

recubre de un material antirreflexivo. De este modo se optimiza la salida a un solo borde.

Los ELED son capaces de acoplar mayor porcentaje de potencia que los SLED a fibras con

baja apertura numrica. En algunas aplicaciones se utilizan asociados a fibras monomodo.

El rango espectral de la emisin es asimismo ms estrecho en los ELED. Comocontrapartida, los ELED son ms sensibles a los cambios de temperatura que los SLED.

LEDs superradiantes

Los LEDs superradiantes o superluminiscentes (SLD) son ELED que funcionan a un alto

rgimen de inyeccin de corriente. El fenmeno de la superluminiscencia (obtencin de

ms de un fotn en promedio por cada recombinacin espontnea) aparece cuando los

fotones producidos por emisin espontnea experimentan ganancia por emisin estimulada

debida a la alta concentracin de pares e --h+existentes en cada momento. La salida de un

Figura 6. LED de emisin lateral.


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SLD procede de esta amplificacin de la emisin espontnea (ASE) y como

consecuencia es parcialmente coherente.

Los SLD son dispositivos intermedios entre los LED convencionales y los lseres. Presentan

una anchura espectral menor que los primeros y mayor que los segundos. Su geometra se

aproxima a los LDs, pero carecen de un mecanismo eficiente de realimentacin ptica

necesario para conseguir alta coherencia (llevan una capa antirreflexiva para destruir la

cavidad Fabry-Perot).

Cuando se ataca un SLD con baja intensidad, su funcionamiento es semejante al de un

ELED. A medida que se incrementa el nivel de corriente, comienza a actuar el fenmeno de

la superluminiscencia, y la potencia ptica aumenta de forma no lineal a la vez que se

reduce la anchura espectral.

Las ventajas principales de los SLD son su mayor potencia acoplada, mayor ancho debanda y menor anchura espectral. Por el contrario, la respuesta no lineal corriente-potencia

ptica supone una desventaja, adems de su alta sensibilidad a la temperatura, menor

fiabilidad y alto precio.

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