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Comunicaciones por Fibra Óptica (Elo-357)

Capítulo 4: Transmisores Ópticos

Universidad Técnica Federico Santa MaríaDepartamento de Electrónica

Comunicaciones por Fibra ÓpticaComunicaciones por Fibra Óptica

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ÍndiceÍndice

4.1 Introducción

4.2 Conceptos Básicos

4.3 Diodo Emisor de Luz (LED: Light-Emiting Diode)4.3.1 Característica de Corriente – Luz4.3.2 Respuesta a la Modulación4.3.3 Estructura del LED

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ÍndiceÍndice

4.4 Láser Semiconductor4.4.1 Ganancia Óptica4.4.2 Feedback Óptico4.4.3 Estructura del Láser

4.5 Diseño de Transmisores4.5.1 Introducción4.5.2 Conexión Fuente – Fibra4.5.3 Realimentación óptica4.5.4 Circuito Controlador (driver)4.5.5 Integración opto-electrónica

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La función de los transmisores ópticos es convertir una señal eléctrica en su correspondiente señal óptica, para luego ingresarla a la fibra óptica.

Existen dos tipos de fuentes ópticas de semiconductor:

Diodo emisor de luz (LED: Light-Emitting Diode) Láser semiconductor (ILD: diodo láser o láser de inyección)LASER (Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation)

4.1 Introducción4.1 Introducción

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Ventajas de las fuentes ópticas de semiconductor:

Tamaño compactoAlta eficienciaConfiablesPequeña área de emisión, comparable con el núcleo de la fibra.Posibilidad de modulación directa en frecuencias relativamente altas (elimina la necesidad de modulador externo)

Aunque el uso del láser fue demostrado en 1962, su uso llegó a ser práctico recién a partir de 1970, cuando conseguían operación continua a temperatura ambiente.

4.1 Introducción4.1 Introducción

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Tres procesos fundamentales en átomos del material: absorción, emisión espontánea y emisión estimulada:

Absorción: Un fotón de la luz incidente, de energía hu igual a la diferencia de energía Eg=E2-E1, es absorbido por el átomo.

Emisión espontánea: Un fotón es emitido al retornar el átomo (excitado) a su estado natural.

Emisión estimulada: Un fotón incidente estimula el decaimiento de un electrón del nivel excitado (ión) con la consecuente emisión de un fotón.

4.2 Conceptos Básicos4.2 Conceptos Básicos

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La emisión de luz puede ocurrir a través de dos mecanismos:

• Emisión espontánea (LED): Los fotones son emitidos en direcciones aleatorias sin relación de fase entre ellos.

• Emisión estimulada (Láser): La emisión es iniciada por la presencia de otros fotones, con los cuales hay adaptación de fase y frecuencia (o energía) y también dirección de propagación.

• De lo anterior se deduce que los Lásers emiten luz coherente y los LEDs luz incoherente.


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Tasa de emisión estimulada

Tasa de emisión espontánea

Tasa de absorción phabs NBR ρ·' 1=

phstim BNR ρ·2=

2ANRspon =

Tasas de Emisión y AbsorciónTasas de Emisión y Absorción

Si consideramos un sistema atómico de dos niveles de energía, que interactúa con un campo óptico de frecuencia υ, a través de las transiciones mostradas en la figura anterior, entonces podemos definir las siguientes tasas (o razones de cambio):

2,1N Densidad atómica de población en nivel E1,2phρ Densidad espectral de energía de radiación

Coeficientes de EinsteinA,B,B´


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En equilibrio térmico se cumplen las siguientes relaciones:

phph NBBNAN ρρ ·'· 122 =+

' ·83

3

BBBchA ==νπ

( ) ( )kThvkTEg eeNN −− ==

1

2 Distribución de Boltzmann

Equilibrio en las transiciones

( ) ·1

8 33

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

=kThve

chph

νπρ Radiación de cuerpo negro


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Conclusiones importantes:

• Si la tasa de emisión espontánea puede exceder tanto la tasa de absorción como la de emisión estimulada; esto ocurre en fuentes térmicas.

• Para radiación en el espectro visible o cerca de la región del infrarrojo (donde ), la emisión espontánea siempre domina sobre la emisión estimulada, en equilibrio térmico a temperatura ambiente

por lo tanto Rstim/Rspon<<1

• Por lo tanto, todos los láseres deben operar lejos del equilibrio térmico. Esto se consigue bombeando el láser con una fuente de energía externa.

Aún en estos casos, la emisión estimulada puede no ser el proceso dominante: es necesario conseguir la condición N2>N1: inversión de población

υhkT >

eVh 1≈υ

)25( meVkT ≈


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Para inversión de la población:

gfvfc EEEEE >−>− 12

Estructura de bandas (Diagrama E-k):

- banda de valencia- banda conducción - banda gap


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Juntura p-n

•Materiales semiconductores dopados con impurezas para generar excesos o déficit de electrones.

• En equilibrio térmico, los niveles de Fermi son continuos a través de la unión n-p y se encuentran en medio de la bandgap, evitando la recombinación.

Bandas de energía en equilibrio térmico


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•Al polarizar directamente la juntura (forward bias) los niveles de Fermi se separan permitiendo la difusión de electrones y así generan fotones, por emisión espontánea o estimulada.

• La corriente aumenta exponencialmente con el voltaje aplicado, según:

[ ]1−= kTqVs eII

IS: Corriente de saturaciónV: Voltaje aplicado

Bandas de energíabajo forward bias


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• Problema: La recombinación se produce dentro de un área relativamente grande, dificultando una gran densidad de portadoras.

• Solución: se agrega una capa intermedia, reduciendo el área de recombinación, así aumentando la densidad de portadoras. Con esto se logra también reducir el bandgap.


15

Además, el haz es confinado dentrode la capa activa debido a la diferenciaen el índice de refracción de ésta, actuando como una guía de onda.

Al variar el espesor de la capa activa se puede controlar el número de modos ópticos a propagar.


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Recombinación

- Radiativa: existe emisión de fotones.

- No radiativa: no existe emisión, la energía liberada es entregada comoenergía cinética a otro par (electrón-hueco).

Se definen las tasas de recombinación radiativa y no radiativa, ysus tiempos asociados según:

Eficiencia cuántica interna:nrrr

nr

nrrr

rr

tot

rr

RRR

RR

τττη+

=+

==int

rrrr

NRτ

= (N : densidad de portadoras)


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•Los tiempos de recombinación varían con cada semiconductor

Bandgap Directo Bandgap Indirecto

nrrr ττ ≅rrnr ττ ·10 5−≅

Mayor probabilidad de recombinación

radiativa Típicamente,5

int 10−≈η para SI y Ge


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Materiales Semiconductores

- La mayoría de los semiconductores pueden ser usados para construir homojunturas p-n capaces de emitir luz a través, principalmente, de emisión espontánea.

- Para el caso de heteroestructuras se limita esta capacidad debido a que su desempeño depende de la calidad de las interfaces entre los dos semiconductores con diferente bandgap (latticedefects).

Solución: Construcción artificial de compuestos terciarios o cuaternarios. Con esto se logran semiconductores con una constante de lattice menor pero el bandgap se incrementa.


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( ) 45.00 ·247.1424.1 <<+= xxxEgAsGaAl xx −1

( ) 10 ·12.0·72.035.1 2 <<+−= yyyyEgyyxx PAsGaIn −− 11

Compuesto terciario:

Fuentes ópticas basadas en InP operan en rango: λ~1.3-1.6 µm, donde la atenuación y la dispersión de la fibra son reducidas. Ejemplo:

Compuesto cuaternario:

Fuentes ópticas basadas en GaAs, operan en rango: λ~0.81-0.87 µmFueron usadas en los SCOs de primera generación. Ejemplo:

45.0=yx

Materiales Semiconductores

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• Un LED es una homojuntura p-n bajo polarización directa, que emite luz por emisión espontanea, fenómeno conocido como electroluminiscencia

• La luz emitida es generada por recombinación radiativa de electrones y huecos.

• La luz emitida es incoherente.

• La luz emitida tiene un ancho espectral relativamente grande: 30 -60 nm.

• La luz emitida tiene una dispersión angular relativamente grande.

4.3 Diodo Emisor de Luz (LED: Light4.3 Diodo Emisor de Luz (LED: Light--EmitingEmitingDiodeDiode))

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• Para una corriente dada I, se tiene que la tasa de inyecciónportadoras es I/q. En estado estacionario, ésta es igual a la tasa de recombinación de pares electrón-hueco

• Con la eficiencia cuántica interna, , se obtiene la tasa de generación de fotones:

• Así, la potencia óptica interna generada es:

• Definiendo a la fracción de fotones que escapan del dispositivo , conocida como eficiencia cuántica externa. Se puede obtener la

Iq

P ··intint ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ωη

qI·intη

extη

Iq

PP extextc ···· intint ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

ωηηηPotencia emitida

intη

4.3.1 Característica de Corriente 4.3.1 Característica de Corriente -- LuzLuz

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Solamente la luz emitida dentro delángulo crítico θc es transmitido haciaafuera del LED

La cantidad de luz emitida depende de la transmitividad en la interfaz semiconductor-aire.

Típicamente se consigue una eficienciaexterna del 1.4%

Debido a la naturaleza incoherente de la luz,el LED actúa como una fuente Lambertiana


23

• El desempeño del LED también es caracterizado por suResponsividad :

• Un típico valor de R ~0.01 W/A

• Además depende de la temperatura, incrementándosela recombinación no radiativa a altas temperaturas, disminuyendo la potencia de salida.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

qR ext

ωηη ·int

intη


CR P I=

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En la figura a) se observa la característica P-I para varias temperaturas, para un LED típico emitiendo en 1.3 µm

En la figura b) se muestra la distribución espectral. Por lo general, se consigue un ancho espectral de 50-60 nm, limitando el bit rate a 10-100 Mb/s


25

• Depende de la vida media y de la densidad de portadoras

N: densidad de portadoras

donde,

• La solución general:

c

NqVI

dtdN

τ−=

( ) ( )timb

meNNtN ω·+=

qVIN bc

bτ

= ( )cm

mcmm i

qVINτω

τω+

=1

cτ : vida media

)exp()( tiIItI mmb ω+=

4.3.2 Respuesta a la Modulación4.3.2 Respuesta a la Modulación

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• Con esto se obtiene la función de transferencia del LED.

• Y su ancho de banda a 3 dB

• Típicamente, esta en el rango 2-5 [ns], con esto el anchode banda de modulación esta en el rango de 50-140 [MHz], para láser de InGaAsP.

( ) ( )( ) cmm

mmm iN

NHτω

ωω+

==1

10

( ) 13 23 −= cdBf πτ

cτ

4.3.2 Respuesta a la Modulación4.3.2 Respuesta a la Modulación

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• Existen dos tipos, dependiendo de cuál es la superficie por donde emiten la luz.

- El área de emisiónes comparada con elárea del núcleo de lafibra.

- Divergencia de 30º, en la dirección de propagación.

Surface-emitting

4.3.3 Estructura del LED4.3.3 Estructura del LED

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Edge-emitting

- El ancho de banda de modulación es 200 [MHz] mayor que los Surface-emitting.- Divergencia de 120º, en la dirección de propagación.

4.3.3 Estructura del LED4.3.3 Estructura del LED

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A través del mecanismo de emisión estimulada, se consigue:

Alta potencia (100 mW)

Emisión angular estrecha, permitiendo buen factor de acoplamiento de energía a la fibra (50%)

Ancho espectral angosto, permitiendo tasas de transmisión altas (10 Gb/s), debido a limitación por la dispersión de la fibra.

Modulación a alta frecuencia (25 GHz) (debido a tiempos cortos de recombinación, asociados con la emisión estimulada)

4.4 Láser Semiconductor4.4 Láser Semiconductor

30

4.4 Láser Semiconductor4.4 Láser Semiconductor

Conceptos necesarios para entender operación del Láser:

Ganancia ópticaGanancia ópticaFeedback ópticoFeedback óptico

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• Para que la emisión estimulada sea dominante es necesarioque se cumpla la condición de inversión de la población. Estose logra dopando fuertemente las junturas n y p de tal manera que los niveles de Fermi superen el band-gap.

• Se dice que la región activa presenta ganancia óptica cuandola densidad de portadores inyectada supera el nivel umbral(valor de transparencia) y se realiza la inversión de población.

• Se define el coeficiente de ganancia g, que según sepuede calcular cuánto se amplifica una señal al propagarse dentro de la región activa

( )zge ·

4.4.1 Ganancia Óptica4.4.1 Ganancia Óptica

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• Se necesita que para que la inversión de poblaciónse produzca.

• El valor máximo de g varia linealmente con N, según:

0>g

( )Tgp NNNg −= σ)(

TN : valor de transparencia

gσ : ganancia de la sección transversal


33


a) Espectro de ganancia de un láser InGaAsP, en 1.3µm, a distintas densidades de portadores (N)

b) Variación de la ganancia peak con N.

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4.4.2 Feedback Óptico4.4.2 Feedback Óptico

FEEDBACK: se coloca el medio con ganancia entre 2 espejos (cavidad Fabry-Perot (FP))⇒ oscilador

2

11

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+−

=nnRm

Reflectividad

Umbral de corriente del láser: nivel mínimo que permite la mínima ganancia necesaria (compensación de pérdidas)

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Ecuación de la onda plana, en la cavidad FP, en estado estacionario:

Igualando amplitud y fase a ambos lados

Conclusiones: Ganancia = pérdidasFrecuencias de modos longitudinales (nL)

nLcL 2/=∆ν Espaciamiento entre modos longitudinales: 100-200 GHz, para L=200-400µm

36


Láser FP emite luz en muchas longitudes de onda

En la práctica no sólo el modo dominante alcanza umbral: láser multimodo (limita BL)

37

4.4.3 Estructura del Láser4.4.3 Estructura del Láser

La estructura más simple de un láser semiconductor es una pequeña capa activa intercalada entre 2 capas cubiertas (tipo p y n) de otro semiconductor con un bandgap más alto.

38

La hetero-juntura es polarizada directamente a través de junturas metálicas.

Tales láseres son llamados láseres semiconductores de área ancha, ya que la corriente es inyectada sobre el ancho entero del chip (~ 100 µm).


39

Como se dijo, la capa activa actúa como una guía de onda planadebido a que su índice refractivo es más grande que el de la capas cubiertas circundantes (∆n ≈ 0.3).

Similar al caso de fibras ópticas, soporta un cierto número de modos, conocidos como modos transversales.

En la práctica la capa activa es lo suficientemente delgada (~ 0.1 µm) como para soportar sólo un modo transversal.


40

Las principales desventajas son un relativamente alto umbral de corriente y un patrón espacial que es altamente elíptico y que cambia de modo incontrolable con la corriente.

Esto problemas se solucionan al introducir un mecanismo para el confinamiento de la luz en la dirección lateral, se clasifican en dos categorías:

- Láseres semiconductores de ganancia guiada.- Láseres semiconductores de índice guiado


41

Un simple esquema resuelve el problema del confinamiento de la luz al limitar la inyección de corriente sobre una franja angosta.

Tales láseres son conocidos como láseres semiconductores de geometría de franja.

LáseresLáseres semiconductores de ganancia guiadasemiconductores de ganancia guiada

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Existen 2 posibles estructuras:

1.-Un dieléctrico es depositado sobre la capa-p con una abertura central a través de la cual la corriente es inyectada.


43

2.- Una capa tipo-n es depositada encima de la capa tipo p. La difusión del Zn en la región central convierte la región tipo-n en tipo-p.


44

El problema del confinamiento de la luz se resuelve al

introducir ∆nL en dirección lateral, tal que se forme una guía

de onda similar a la de dirección transversal por el diseño de

heteroestructura.

Tales láseres pueden ser sub-clasificados como láseres

semiconductores de índice guiado débiles y robustos,

dependiendo de la magnitud de ∆nL.

LáseresLáseres semiconductores de índice guiadosemiconductores de índice guiado

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Ridge waveguided laser :Se deposita una capa de SiO2 para bloquear la circulación de

corriente e inducir un débil índice guiado. Ya que el índice de refracción del SiO2 es más pequeño que la de la región p, el índice efectivo del modo transversal es diferente en las dos regiones resultando en un ∆nL~ 0.01.

LáseresLáseres semiconductores de índice guiado semiconductores de índice guiado --débilesdébiles

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La región activa tiene dimensiones ~ 0.1x1 µm2 encerrada por todos los lados de capas de índices refractivos más bajos, por esto se denominan heteroestructura encerradas.

LáseresLáseres semiconductores de índice guiado semiconductores de índice guiado --robustosrobustos

47

4.5 Diseño de Transmisores4.5 Diseño de Transmisores

8 Introducción8 Conexión Fuente - Fibra8 Realimentación óptica8 Circuito de control8 Integración opto-electrónica

48

ObsObs:: Un modulador externo no es siempre utilizado,

ya que tanto los LED como los LASERS pueden

ser modulados directamente.

4.5.1 Introducción4.5.1 Introducción

49

Objetivo:Objetivo:

Acoplar la mayor cantidad posible de luz dentro de la fibra para aumentar la potencia emitida.Acoplamiento ineficiente, si la luz proviene de un LED a una fibra monomodo.

Eficiencia de acoplamientoEficiencia de acoplamientoLED < 0.1%Láser < 40-50% (típica)

4.5.2 Conexión Fuente 4.5.2 Conexión Fuente -- FibraFibra

50

PigtailPigtail (un pequeño trozo de fibra es incluido en el (un pequeño trozo de fibra es incluido en el TxTx))

Mejoras:Butt Coupling:

Fibra puesta cerca de la fuente ópticaLens Coupling

Uso de lente para maximizar la eficiencia de conexión..

Cada conexión tiene sus ventajas y la opción por alguno de ellosdepende de los objetivos de diseño

LA EFICIENCIA DE LA CONEXIONLA EFICIENCIA DE LA CONEXIONNO DEBE CAMBIAR CON EL TIEMNO DEBE CAMBIAR CON EL TIEMPO PO !!!!!!


51

Butt coupling:

Eficiencia de acoplo:

2))(1( NARfc −=η

Rf=Reflectividad

4%

hueco de aire

≈ 0%

index-matchingliquid


52

Lens Coupling:

Eficiencia > 70%

Gracias a la esfera y a que el tamaño del haz

es magnificado para igualar al tamaño del modo


53

Importancia del efecto de realimentación

< 0.1% puede desestabilizar el láser

Aparición de efectos tales como:Linewidth BroadeningMode HoppingRIN enhancement

4.5.3 Realimentación Óptica4.5.3 Realimentación Óptica

54

Métodos de disminuir la realimentación:Barniz anti-reflexiónCortar la punta de la fibra en un leve ángulo para que

la luz reflejada no pegue en la zona activa del láser.

Aislador ÓpticoUso en sistemas de altas tasas de bits, pero que requieren de unláser con ancho de línea angosto y con realimentación distribuida (DFB láser)

4.5.3 Realimentación Óptica4.5.3 Realimentación Óptica

55

Objetivo:

Proveer potencia eléctrica a la fuente óptica para modular la luz de salida de acuerdo con la señal a ser transmitida.

Circuitos de manejo simples para transmisores de LED, no así para transmisores de alta tasa de bits utilizando fuentes láser.

4.5.4 Circuito controlador (4.5.4 Circuito controlador (driverdriver))

56

Controla el promedio de la potencia óptica a través

de un mecanismo de realimentación (fotodiodo)

4.5.4 Circuito controlador (4.5.4 Circuito controlador (driverdriver))

57

Razones:

Los componentes electrónicos en el circuito controlador determinan la tasa a la cual la salida del transmisor pueda ser modulada.

En transmisores que operan en tasas sobre 1 Gbps los efectos parásitos de los transistores a menudo limitan el desempeño del transmisor.

4.5.5 Integración Opto4.5.5 Integración Opto--electrónicaelectrónica

58

Solución:

Integración monolítica del láser con el circuito de control, tales transmisores son llamados transmisores de circuitos integrados opto-electrónicos (OEIC)


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Tecnología en años:

1988: Demostración de un transmisor OEIC de 1.5 µm, capaz de transmitir a una tasa de 5 Gbps.

1992: Fabricación de un transmisor de 10 Gbps, integrando un láser DFB de 1.55 µm con transistores de efecto de campo (FET) hechos con InGaAs e InAlAs.


60

Un transmisor óptico debería operar sobre un período detiempo relativamente largo (10 años o más)

El tiempo de vida útil de una fuente óptica se cuantifica a través del parámetro tf , conocido como el tiempo medio de falla (MTTF: mean time to failure).

Se asume una probabilidad de falla exponencial:[PF=exp(-t/tF)]

Típicamente, tF debería exceder las 105 horas (11 años)

4.5.6 Confiabilidad (4.5.6 Confiabilidad (ReliabilityReliability))

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