tema 2 fuentes de luz y el transmisor óptico · objetivos • conocer el papel del transmisor en...

Tema 2Tema 2Fuentes de luzFuentes de luzy el transmisor y el transmisor óópticoptico

ComunicacionesComunicacionesÓÓpticaspticas

ObjetivosObjetivos• Conocer el papel del transmisor en un sistema de C.O. y su

arquitectura• Valorar el impacto de las prestaciones del transmisor y de la

fuente de luz en el comportamiento del sistema• Analizar comparativamente el funcionamiento de las fuentes

tipo LED y láser, destacando:Potencia óptica emitida, espectro, modulación, …Problemas: temperatura, ruido, degradación, ...

• Conocer estructuras avanzadas y sus aplicaciones: DFB, MQW, VCSEL, ...

• Seleccionar adecuadamente las diferentes arquitecturas de transmisor y tipos de fuentes de luz para una determinada aplicación

2 El transmisor 2 El transmisor óóptico ptico ObjetivosObjetivos

ÍÍndicendice1. Introducción

• Función del transmisor• Emisión espontánea y estimulada• Materiales para fuentes de luz

2. Diodo LED• Fundamentos• Características electro-ópticas y parámetros relevantes• Estructuras avanzadas

3. Diodo Láser• Fundamentos• Características electro-ópticas y parámetros relevantes• Estructuras avanzadas

4. Transmisor: arquitecturas, selección y ejemplos

2 El transmisor 2 El transmisor óóptico ptico ÍÍndicendice

IntroducciIntroduccióón al transmisorn al transmisor

• Función del transmisor: conversión electro-óptica

• Características deseables:Potencia óptica adecuada Tamaño y forma adecuados al medio de transmisión (*)Emisión a la λ más adecuada: mínima atenuación y dispersión en el canalAnchura espectral pequeñaModulación sin distorsión y a altas frecuenciasLarga duración y bajo precio

• Elemento clave: fuente de luz

2 El transmisor 2 El transmisor óóptico ptico IntroducciIntroduccióónn

Hay 3 Mecanismos de interacciHay 3 Mecanismos de interaccióónnluzluz--materiamateria

Absorción.

Emisión espontánea

Emisión estimulada


Electrones

Estados energéticos

permitidos en los átomos

Fotones

Tipos de emisiTipos de emisióónn• Emisión espontánea

Una fuente de energía externa provoca saltos hacia arriba de los electrones para caer después. Si la fuente de energía es calor: Incandescencia

• NO ADECUADA para CO: sólo depende de la Tª, no se puede modular, gran anchura espectral…

Otras fuentes de energía : Luminiscencia

• Más adecuada para CO: se puede modular, anchura espectral media, la λ de emisión depende del material.

• Ejemplo: diodo LED controlador por corriente eléctrica

• Emisión estimuladaIdeal: fenómeno muy rápido (gran velocidad de modulación), monocromático (pequeña anchura espectral), permite amplificación óptica, …

Ejemplo: diodo Láser semiconductor (LD)


EmisiEmisióón de luz en sn de luz en sóólidoslidos

• Las propiedades químicas, electrónicas y ópticas de un material están dadas por sus electrones exteriores

• Hay niveles permitidos y prohibidos• Se aplican los principios de mínima energía

y de exclusión de Pauli• Gran interacción entre átomos: bandas

ancha de energía en lugar de estados definidos teoría de bandas


Un parUn paráámetro importante es la metro importante es la ““anchura del anchura del gapgap””


La anchura del La anchura del gapgap determina la determina la longitud de onda de emisilongitud de onda de emisióónn

• La anchura del gap depende del materialConductores: no hay gapSemiconductores: Eg ≈ 1 eVAislantes: Eg ≈ 5 eV

• La emisión/absorción de luz se debe a saltos entre la banda de conducción y valencia:

Ejemplo: Eg=1,2eV λ=1μm

E h hc Eg g≈ ⇒ ≈ν λ /


TerminologTerminologíía electra electróónicanica

• Emisión: aniquilación de un par electrón-hueco órecombinación

• Absorción: generación de un par electrón-hueco


En estos procesos se conservaEn estos procesos se conserva

• La energía

• El momento

• Los diagramas energía-movimiento ayudan a entender las consecuencias

E h= ⋅ = ⋅ν ωh

vP k o P m= ⋅ = ⋅rr r r

h

E = energía [J] 1 eV = 1,6⋅10-19 J h = cte. de Planck (6.63⋅10-34 J⋅s) ν = frecuencia óptica = c /λ [Hz] rP = momento (vector) [Kg⋅m/s] vk = vector de onda

rk = 2π

λ

m = masa “efectiva” de la partícula [Kg] v = velocidad “efectiva” de la partícula [m/s]


En un material de En un material de gapgap DIRECTODIRECTO la la emisiemisióón es probable y eficienten es probable y eficiente


Problema: el momento de un fotón es muy pequeño

¡No hay cambio de momento!

En un material de En un material de gapgap INDIRECTO la INDIRECTO la emisiemisióón es improbable e ineficienten es improbable e ineficiente

2 El transmisor 2 El transmisor óóptico ptico IntroducciIntroduccióónn¡El cambio de momento se traduce en calor!

Materiales para fuentes de luzMateriales para fuentes de luz

• Es determinante la anchura del gap (λ de emisión) y el tipo (directo/indirecto)

• Se usan los mismo procesos que en microelectrónica

Deposición de capas sobre un sustrato (oblea)Dopados p y n para formar unionesPero con materiales nuevos y “raros”

¡tecnología en desarrollo!


Materiales mMateriales máás utilizadoss utilizados

• Arseniuro de Galio (AsGa)El primero (1955), ya no se usa, emite en λ=870nm (1ª ventana)

• Arseniuro de Galio y aluminio (AsAlxGa1-x)Rango visible (570..870nm) modificando la mezcla

• GaxIn1-xAsyP1-y

Amplio rango de emisión, permite 2ª y 3ª ventana


Nuevos materiales Nuevos materiales microestructuradosmicroestructurados

• La teoría de bandas no es válida para dimensiones muy pequeñas (~nm)

• Las propiedades dependen del material y de la estructura

Ejemplo: Silicio “poroso”




2. Diodo LED• Fundamentos• Características electro-ópticas• Estructuras avanzadas

3. Diodo Láser• Fundamentos• Características electro-ópticas• Estructuras avanzadas



Fundamentos del diodo LEDFundamentos del diodo LED

• La emisión espontánea “en equilibrio térmico” es despreciable

• El diodo LED es una estructura que fomenta la emisión eficiente mediante:

Aporte de energía: inyección de corrienteAporte de electrones y huecos juntos: unión pn

Polarización en directoMaterial adecuado

2 El transmisor 2 El transmisor óóptico ptico Diodo LEDDiodo LED

Antes de formar la uniAntes de formar la unióónn


UniUnióón pn p--n sin polarizarn sin polarizar


UniUnióón pn p--n polarizadan polarizada


CaracterCaracteríísticas sticas electroelectroóópticaspticas

• “Cantidad de luz”Potencia óptica emitidaParámetros de eficienciaCurva Potencia-Intensidad

• Directividad del haz emitido• Espectro de emisión

Longitud de onda centralForma del espectro y anchura espectral

• ModulaciónPequeña señal: ancho de banda de modulación f3dB

Gran señal: tiempos de conmutación (T10..90%)

• Efecto de la temperatura2 El transmisor 2 El transmisor óóptico ptico Diodo LEDDiodo LED

P Significa parámetro relevante del dispositivo

La potencia La potencia óóptica es ptica es proporcional a la corrienteproporcional a la corriente

• Tasa de inyección de portadores

• definiendo la eficiencia interna

• y la eficiencia externa

Rq

e sportadores =−I

[ / ]

intI [ ]GENERADAP h Wq

ν η= ⋅ ⋅ ⋅

64748

P hqEMITIDA ext= ⋅ ⋅ ⋅η η νint

I


ParParáámetros de eficiencia metros de eficiencia ((““ffíísicossicos””))

• Eficiencia internaSe debe a que no todas las recombinaciones son radiativas (emiten luz)Depende inversamente de la temperatura

• Eficiencia externaReflexión en las carasÁngulo críticoAbsorción del materialEmisión hacia atrás


ParParáámetros de eficienciametros de eficiencia((““mediblesmedibles””))

• Responsividad (responsivity)

• Conversión de potencia (wall-plugefficiency)

[W/W]ópticaemitidawall plug

eléctrica inyectada

PP

η − ≡

int [W/A]I

ópticaemitidaext

eléctrica inyectada

P hqνη ηℜ≡ = ⋅


P

La curva PotenciaLa curva Potencia--Intensidad Intensidad es lineal (mes lineal (máás o menos)s o menos)


SATURACIÓN, debido fundamentalmente a

la temperatura

P

Parámetro: corriente máximaP

La La directividaddirectividad del haz de luz del haz de luz es muy amplia es muy amplia

• Un LED simple es una fuente “lambertiana”

La eficiencia de acoplo en fibra es muy mala• θMAX > 30º ηACOPLO < 1%

Hay estructuras avanzadas para tratar de mejorarlo

( )Iopt ( ) cosθ θ= I0


P

El espectro de emisiEl espectro de emisióón es ancho n es ancho y con forma y con forma gausianagausiana

• Valores típicos: σλ = 20..30nm

1/ 2

2,355λσλΔ

=


PP

P

ModulaciModulacióón: un LED se comporta como n: un LED se comporta como un filtro paso bajo de 1un filtro paso bajo de 1erer ordenorden

El parámetro τ modela la respuesta del LED

• El resto del circuito del transmisor también influye en la respuesta global

Capacidades parásitas(unión pn, cápsula, …)Resto de la electrónica

1( )1

Hj

ωωτ

=+


1( )1RCH

j RCω

ω=

+1( )

1CA

CAE

E

Hj

ωωτ

=+

La modulaciLa modulacióón en pequen en pequeñña sea seññal se al se caracteriza con caracteriza con ff3dB3dB

• Disminuye la amplitud de la señal óptica al aumentar la frecuencia frecuencia máxima ó ancho de banda de modulación f3dB


31 3( )2 opticom dB

c

H ω ωτ

= ⇒ =

23

1 1( )2 electricom dB

c

H ω ωτ

= ⇒ =

ÓpticoEléctrico

LED: f3dB < 1GHz P

En gran seEn gran seññal se mide con los tiempos al se mide con los tiempos de subida tde subida t10..90%10..90%

• El filtro paso-bajo estropea los flancos (los suaviza) tiempos de subida 10..90%

Hay una relación entre el comportamiento en pequeña y gran señal:


310..90%

0,35dBf

T=Δ

P

La temperatura afecta al La temperatura afecta al comportamiento del LEDcomportamiento del LED

• Al aumentar la Tª…Hay más recombinaciones no-radiativas se reduce la potencia óptica emitida

• ΔP/ΔT medido en %/ºC ó dB/ºC

Se ensanchan las bandas de energía el espectro se ensanchaLa anchura del gap se reduce el espectro se desplaza hacia la derecha¡Puede estropearse el dispositivo!


P

Estructuras simplesEstructuras simples

• LED de emisión por superficie (sLED)

• LED de emisión por el borde (eLED)


Estructuras para la mejora del Estructuras para la mejora del acoplo en fibraacoplo en fibra


Fundamentos del diodo LFundamentos del diodo Lááserser

• La emisión espontánea “en equilibrio térmico” es despreciable

Y la emisión estimulada, ¡1018 veces menor! (Einstein, 1917)

• El diodo Láser es una estructura que fomenta la emisión estimulada eficiente mediante:

Aporte de energía: inyección de corrienteAporte de electrones y huecos juntos: unión pn

Polarización en directoMaterial adecuadoInversión de poblaciónConfinamiento óptico

2 El transmisor 2 El transmisor óóptico ptico Diodo LDiodo Lááserser

Un material con InversiUn material con Inversióón de Poblacin de Poblacióón n puedepuede producir Emisiproducir Emisióón Estimuladan Estimulada

h⋅ν<Eg h⋅ν>EF-C-EF-V

Transparencia Ganancia Absorción


Pero la ganancia se produce en un rango Pero la ganancia se produce en un rango pequepequeñño de longitudes de onda o de longitudes de onda

• Si h·v < Eg energía insuf. transparencia• Si h·v > EFC-EFV absorción• Se produce una curva lorentziana curva

de gananciaAnchura ~nmDepende de la corrientede inyecciónSe necesita una inyección mínima para G>1

corriente umbral


P

El confinamiento El confinamiento óóptico es una ptico es una realimentacirealimentacióón para reforzar la n para reforzar la E.EE.E. .

• Unos espejos con reflectividad R1 y R2 devuelven parte de la luz a la unión pn

• Se aprovecha la luz que atraviesa ambos espejosEmisión hacia delante: viaja hacia el canalEmisión hacia atrás: se “fabrica” un fotodiodo para saber la cantidad de luz generada en cada momento


CavidadFabry-Perot

Las interferencias en la cavidad Las interferencias en la cavidad FP limitan las FP limitan las λλ’’ss generadasgeneradas

• Sólo algunas longitudes de onda interfieren entre síconstructivamente cumplen la “condición de fase”

modos longitudinales

• Sólo se genera luz a varias λ’s discretas dentro de la curva de ganancia del material


2m

L m

nλ =

⋅

m entero

Índice de refracción

CaracterCaracteríísticas sticas electroelectroóópticaspticas

• “Cantidad de luz”Potencia óptica emitidaParámetros de eficienciaCurva Potencia-Intensidad

• Directividad del haz emitido• Espectro de emisión

Longitud de onda centralForma del espectro y anchura espectral

• ModulaciónPequeña señal: ancho de banda de modulación f3dB

Gran señal: tiempos de conmutación (T10..90%)• Efecto de la temperatura• Otros problemas


P Significa parámetro relevante del dispositivo

SSóólo hay emisilo hay emisióón ln lááser a partir de ser a partir de la corriente umbral la corriente umbral IIthth

• Sólo se produce ganancia neta (emisión estimulada) a partir de un nivel de inyección

Surge el concepto de corriente umbral IthSólo hay emisión láser si I > Ith

• Ya no pueden dividirse en dos la eficienciaAlgunos fotones no consiguen salir …… ¡pero contribuyen a la emisión estimulada!

• Se define la “eficiencia cuántica diferencial externa” ηD

ℜ( )thD II

qhP −⋅⋅

⋅=νη

2 El transmisor 2 El transmisor óóptico ptico Diodo LDiodo LááserserP

P

La curva PLa curva P--I de un diodo lI de un diodo lááser ser tiene tres tramos diferenciadostiene tres tramos diferenciados

LED

superLED

Láser(a) Zona de funciona-miento como LED: No hay emisión estimulada (I<Ith) y sale poca luz (¡espejos!) (b) Zona

“superLED” hay parte de emisión estimulada: más luz

(c) Zona láser: sólo hay emisión estimulada.La pendiente de la recta es ℜ


¡Zona útil!

El haz emitido es elEl haz emitido es elíípticoptico

• Ángulos típicos: θ1=10..20º θ2=20..30º• El acoplo en fibra es algo mejor que un LED pero

igualmente complejo


Espectro de un diodo lEspectro de un diodo lááser FPser FP• Es la suma de tres fenómenos:

Emisión espontánea originalCurva de ganancia en un rangomás pequeñoλ’s que sobreviven en la cavidad(Modos de la cavidad)


Anchura espectral de un lAnchura espectral de un lááserser

1/ 2

2,355λλσ Δ

=

• El término “coherencia” está relacionado con la anchura espectral

• Valores típicos: σλ = 1 .. 3nm2 El transmisor 2 El transmisor óóptico ptico Diodo LDiodo Lááserser

P

P

Espectro Espectro vs.vs. InyecciInyeccióónn


ModulaciModulacióón: un Ln: un Lááser se comporta ser se comporta como un filtro paso bajo de 2como un filtro paso bajo de 2ºº ordenorden

Los parámetros ω0 y τ modelan la respuesta del láser

• El resto del circuito del transmisor también influye en la respuesta global

Capacidades parásitas(unión pn, cápsula, …)Resto de la electrónica


1( )1RCH

j RCω

ω=

+1( )

1CA

CAE

E

Hj

ωωτ

=+

20

2 20

( )( )(0) ( )

mm

m m

NHN j βω ω

ω = =ω −ω + ω th

II

βτ

=

La modulaciLa modulacióón en pequen en pequeñña sea seññal se al se aproxima por un aproxima por un sistema de 1sistema de 1erer ordenorden

• La respuesta es similar a un sistema de 1er orden, salvo por un “pico” de resonancia (parámetro ω0)


Láser: f3dB ~ GHz P

Respuesta real

Aproximación

En gran seEn gran seññal aparecen dos al aparecen dos fenfenóómenos negativos menos negativos


• Solución: polarización constante un poco por encima de la Ith corriente de bias

Oscilación de relajación

Tiempo de encendido ~ns

Aparece el parAparece el paráámetro de relacimetro de relacióón n de extincide extincióónn

• Al inyectar la corriente de bias , la potencia óptica del “0” ya no es cero.

• ¿Dónde está el problema? ¡se confunden con más facilidad los niveles lógicos!

• Medida: “Relación de Extinción”"0"

"1"

10 log [ ]PRE dBP

≡ − ⋅


La temperatura afecta MUCHO La temperatura afecta MUCHO al comportamiento del Lal comportamiento del Lááserser

• Al aumentar la Tª…Se reduce la potencia óptica emitida

• ΔP/ΔT medido en %/ºC ó dB/ºCAumentan la corriente umbral

• ¡la corriente de bias aplicada puede ser insuficiente!La anchura del gap se reduce el espectro se desplaza hacia la derecha

• Δλ/ΔT medido en nm/ºC¡Puede estropearse el dispositivo!

• Puede ser necesario un control de Tª


P

P

Otros problemasOtros problemas

• Ruido de intensidadSon fluctuaciones aleatorias de la amplitud de la luzMedida: ruido de intensidad relativa (RIN)

• Reflexiones externas (en el canal)Actúan como cavidades inestabilidad del láserSoluciones: Estabilidad por diseño

Conexiones ópticas en ánguloDispositivo aislador

P t P P t P t( ) ( ) ( ( ) )= + =0 0Δ Δ


P

El fenEl fenóómeno del meno del cchirpinghirping puede afectar las puede afectar las prestaciones en un sistema de comunicacionesprestaciones en un sistema de comunicaciones

• Origen:

• Δλ/Δi medido en nm/mA

• Soluciones: peor relación de extinciónno modular


m

n

LtntI =⇒⇒

2

)()( λ

P

La estructuras La estructuras FabryFabry--PerotPerot es la es la mmáás simples simple

• Heteroestructura simple

Simple y barato, pero tiene espectro multimodo y diagrama elíptico


Hay interHay interéés por estructuras s por estructuras monofrecuenciamonofrecuencia

• Ideas:Anchura de la curva de ganancia más pequeña

• Depende del material ¡imposible!Modos más separados (que sólo uno coincida dentro de la curva de ganancia)

• Depende de la distancia entre espejos L ¡difícil!Espejos que sólo reflejen una λ

• Existen: redes de difracción = variaciones periódicas del índice


La mLa máás utilizada es la DFBs utilizada es la DFB

• Red de difracción (grating) cerca de la unión pn

• Parámetros:Su anchura espectral se denomina también “anchura de línea”(linewidth)Algunos modos no se suprimen totalmente: parámetro SMSR (Side Mode Supression Ratio)

• Valor típico: 30dB


P

Distributed FeedBack

Estructuras VCSELEstructuras VCSEL

• Ventajas:Haz circular: mejor acoplo en fibraSe pueden probar con mucho menor coste


Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser

Estructuras de pozo cuEstructuras de pozo cuáántico (MQW)ntico (MQW)

• Si las dimensiones son muy pequeñas (<10nm) la teoría de bandas no es válida

• Ventajas:Niveles discretos menor anchura espectralLa λ de emisión depende de la geometría y no sólo del materialMenor tamaño mayor velocidad de modulación


Multiple Quantum Well

Arquitectura de un transmisor Arquitectura de un transmisor con modulacicon modulacióón internan interna

2 El transmisor 2 El transmisor óóptico ptico TransmisorTransmisor

Sólo para láseres

Sólo para algunos láseres

Arquitectura de un transmisor Arquitectura de un transmisor con modulacicon modulacióón externan externa

Ventajas:La velocidad de modulación puede ser mayorNo hay chirping


InconvenientesDispositivo muy caro (se intenta integrar en la fuente)Suelen tener elevadas pérdidas de inserción

Aplicaciones de los Aplicaciones de los txtx. basados en LED. basados en LED

• En generalBajo costeDistancias cortas (<1Km)“Bajas” velocidades (<1Gbps)Fibras multimodo (sílice o plástico)

• EjemplosRedes de área local (FDDI, Gigabit ethernet, 802.11-IR, ...)Sistemas punto a punto de baja velocidad

• En fibra: modems de fibra (RS232, Firewire®, ...)• No guiados: Irda

Comunicaciones en vehículosBucle de abonado


Aplicaciones de los Aplicaciones de los txtx. basados en L. basados en Lááserser

• En generalGrandes prestacionesDistancias largas (>1Kms)Altas velocidades (>1Gbps)Fibras monomodo

• EjemplosRedes de área local y de gran área (10Gigabit Ethernet)Sistemas no guiados de alta velocidad/larga distanciaEnlaces troncales de comunicaciones (telefonía, Internet)

• SDH/Sonet


Ejemplos prEjemplos práácticoscticos

• Transmisor simple LED para puerto serie



• Transmisor Láser



• Transmisor no guiado de larga distancia



• Transmisor para LAN Gigabit Ethernet



• Transmisor para SDH/Sonet


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