Sistema Monoestable y Estable

Fuentes pticas|

5 de mayo de 2016

FUENTES OPTICAS

Materia: Sistemas de Transmisin por Fibra ptica

Docente: Ingeniero Felix Pinto

Estudiante: Hedin Marzo

Leonel Navia

Camilo Azcui

Carrera: Ing. de Telecomunicaciones

Gestin: I-2016

DEFINICIN:

Las fuentes pticas son componentes activos en un sistema de comunicaciones por fibra ptica, cuya funcin es convertir la energa elctrica en energa ptica, de manera eficiente de modo que permita que la salida de luz sea efectivamente inyectada o acoplada dentro de la fibra ptica.

SISTEMA DE TRANSMISIONES OPTICAS

Diagrama de bloques de un sistema de trasmisiones pticas.

REQUERIMIENTOS:

Los requerimientos principales para una fuente ptica son:

Dimensiones compatibles con el de la fibra: las fuentes pticas tendrn que tener la misma dimensin de distintos tipos de fibras, ya sea monomodo y multimodo, para el buen acoplamiento de estas y evitar prdidas y fugas tanto de informacin como de potencia.

Linealidad en la caracterstica de conversin electro ptica: la cantidad de corriente ptica inducida ala fuente debe ser proporcional a la conversin de la misma en luz ptica.

Gran capacidad de modulacin: ya que la fibra ptica trabaja en las tres ventanas ,las fuentes de luz deben ser capaces de modular con exactitud de informacin ptica que ser emitida a la fibra

Modulacin directa: Modulacin sin distorsin y a altas frecuencias.

Suficiente potencia ptica de salida y eficiencia de acoplamiento: la fuente ptica debe emitir una potencia idnea para la fibra ptica y poder transmitir la informacin de luz ptica hacia la fibra.

Funcionamiento estable con la temperatura: ya que al aumentar la temperatura hay ms recombinaciones radiactivas y esto reduce la potencia ptica emitida; tambin se ensanchan las bandas de energa y esto produce que el espectro se ensanche; puede daar el dispositivo.

Confiabilidad. (Tiempo de vida til): deben tener una vida til y confiable, ya que la transmisin es continua ya sea dependiendo del tipo de informacin es decir sin cortes.

Bajo consumo de energa: la fuente ptica debe ser capaz de no consumir alta energa, ya que requerira varias fuentes para la transmisin a un cable de fibras pticas.

Economa: la fuente ptica debe ser de bajo precio, dependiendo distancia de instalacin y requerimiento de envi de informacin.

Tamao y configuracin ptimas para el acoplo de luz en la fibra: Las caractersticas fsicas y elctricas de una fuente ptica deben ser de igual exactitud que las caractersticas que tiene la fibra ptica.

Las longitudes de onda ms utilizadas son:

850 nm, 1310 nm, 1550 nm.

DEFINICION FOTN:

En fsica moderna, el fotn es la partcula elemental responsable de las manifestaciones cunticas del fenmeno electromagntico. Es la partcula portadora de todas las formas de radiacin electromagntica, incluyendo a los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible (espectro electromagntico), la luz infrarroja, las microondas, y las ondas de radio.

GENERACIN DE LA LUZ.

Un fotn es una oscilacin o una partcula, una conjuncin de ondas, y un paquete de energa electromagntica.

Su aspecto de partcula est relacionado con su momento lineal su existencia como partcula y la presin que ejerce sobre la materia adyacente. Su cuantificacin est relacionada con su momento angular constante, y su energa cuantificada forma dos espectros diferentes de cuerpo negro e ionizante.

Los fotones no viajan a travs del espacio, ni tienen una estructura fibrosa. Los fotones son globulares y son creados y destruidos al momento. Los rayos son simplemente una forma probabilstica de aproximar la realidad fsica de la onda de fase o de excitacin que transmite a travs del espacio el estmulo indirecto para la produccin de luz. En el caso de fotones de cuerpo negro, siempre tiene que intervenir un intermediario entre la onda de fase y la produccin de fotones, o luz; el intermediario es siempre una carga con masa.

EFECTO FOTOELCTRICO

El efecto fotoelctrico consiste en la emisin de electrones por un material cuando se hace incidir sobre la radiacin electromagntica (luz visible o ultravioleta, en general). A veces se incluyen en el trmino otros tipos de interaccin entre la luz y la materia:

Fotoconductividad: es el aumento de la conductividad elctrica de la materia o en diodos provocada por la luz

Efecto fotovoltaico: transformacin parcial de la energa luminosa en energa elctrica.

TIPOS DE FUENTES PTICAS.

El lser de semiconductores (diodo laser) y el LED (diodo electroluminiscente) se usan universalmente como fuentes luminosas en los sistemas de comunicaciones pticas, debido a ningn otro tipo de fuente ptica puede modularse directamente a las altas velocidades de transmisin requerida, con tan baja excitacin y tan baja salida.

La eleccin entre el lser y el LED es funcin del sistema: para anchos de banda grandes y largos enlaces, el lser ofrece un mejor rendimiento. Para distancias cortas y medias con anchos de banda escasos, en donde la baja potencia de salida, la respuesta en frecuencia o la gran anchura espectral no sean factores limitativos, se suele escoger el LED, ya que tanto el circuito de ataque como el de control son ms sencillos.

DIODO EMISOR DE LUZ (LED)

Las fuentes de luz no coherente LED son una unin p-n polarizada que emiten radiacin ptica de acuerdo con la intensidad elctrica que se haga pasar por la misma.

ESTRUCTURA INTERNA DEL CHIP DE UN DIODO LED:

En esta ilustracin el chip se compone de nitruro de galio (GaN) como elemento semiconductor. Aqu la corriente de electrones I que parte del polo negativo () de la batera B, penetra en el diodo LED por el ctodo (negativo), correspondiente a la regin N. Cuando a este chip se le aplica un voltaje adecuado que lo polarice de forma directa, los electrones adquieren la energa extra necesaria que les permite circular y atravesar las dos regiones que lo componen. Desde el mismo momento que la batera B suministra a los electrones la energa suficiente para vencer la oposicin que les ofrece a su paso la barrera de potencial que se crea en el punto de unin o juntura que limita las dos regiones del diodo, estos pueden pasar a ocupar los huecos existentes en la regin P (positiva).

Acto seguido los electrones continan 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 batera o fuente de energa de corriente directa, completando as su recorrido por todo el circuito. Una vezque 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 regin P, el exceso de energa extra previamente adquirida procedente de la batera la libera en forma de fotn de luz. En el caso del diodo LED de este ejemplo, la luz emitida ser ultravioleta (UV), invisible al ojo humano, por ser nitruro de galio (GaN) el componente qumico del material semiconductor que compone este chip.

Bsicamente existen tres clases de diodos LED utilizados en los sistemas de transmisin de fibra ptica y son:

LED DE EMISIN LATERAL O POR EL BORDE, ELED.

Este tipo de LED presenta una superficie emisora de luz semjate a una tira estrecha en el mismo plano de la unin p-n, consiguiendo as que la luz radie de forma transversal hacindose ms directiva y las prdidas de acoplamiento a la fibra sean menores

LED SPER LUMINISCENTE, SLD.

Su particularidad radica en que una de sus caras por donde va a salir la luz es tallada y por tiene una cierta capacidad de reflexin, la otra cara no es tallada, de manera que el efecto laser no se presenta pero hay una cierta amplificacin.

LED POR EMISIN SUPERFICIAL, SLED.

Este tipo de LED fue desarrollado para aplicaciones con necesidades altas de velocidad de transmisin (mayores a 100Mbps). Este tipo de LED emite luz en muchas direcciones pero concentrando la luz emitida en un rea muy pequea, lo que se conoce como diodo de Burrus. Son ms eficientes que los anteriores y permiten que se acople ms potencia en la fibra ptica. Sin embargo, son ms costosos y difciles de elaborar.

Un tipo importante de LED es el de emisin superficial desarrollada por primera vez por Burrus y Dawson en 1970.

TIPO DE LED

CARACTERISTICA

EFICIENCIA

VELOCIDAD Y CORRIENTE

LED de emisin lateral o por el borde, ELED.

Presenta un diagrama de radiacin elptico

Gran eficiencia de acoplo a una FO (> 10 veces que el LED de superficie).

Mayores velocidades de modulacin -> aptos para aplicaciones en redes de rea local

LED sper luminiscente, SLD.

Electro-ptica cercano a las del lser.

La potencia emitida es mayor que en los LEDs anteriores, aunque sin alcanzar los valores del diodo lser.

Requiere altas corrientes hasta alcanzar emisin estimulada, aunque al no haber realimentacin no aparece efecto lser.

LED por emisin superficial, SLED

Para transmisiones de altas velocidades

Emite luz en muchas direcciones pero concentrando la luz emitida en un rea muy pequea

Altas de velocidad de transmisin (mayores a 100Mbps),permiten que se acople ms potencia en la fibra ptica.

CARACTERSTICAS DE CADA UNA DE LOS CLASES DE LED:

PROCESO DE EMISIN.

El proceso de generacin de la luz en un LED se basa en la recombinacin de electrones y huecos en una unin p-n, lo que provoca emisin de fotones.

A este efecto se le llama electroluminiscencia. La longitud de onda de la luz emitida depende de la diferencia de energa E entre los niveles energticos:

Donde h es la constante de Plank y c la velocidad de la luz. En un LED la luz se emite segn los 360 que se corresponden en una radiacin esfrica, pero en la prctica esto queda limitado por la construccin mecnica del diodo, la reflexin de la luz en el material metalizado y la absorcin en el metal semiconductor.

La apertura numrica puede variar desde 0,9 para un LED de gran ngulo hasta 0,2 para uno de estrecho ngulo. Aunque la apertura numrica de 0,2 es bastante pequea, el rea de emisin es grande comparada con la de un lser. La baja densidad de potencia resultante reduce enormemente la potencia que se puede acoplar a una fibra de ndice gradual y hace casi imposible el acoplo a una fibra monomodo.

La luz del diodo puede filtrarse, de modo que solamente parte del espectro total pase a la fibra, pero esto se hace a costa de una disminucin de la potencia disponible de la fuente de luz.

Los LEDs se utiliza generalmente en sistemas de comunicacin con:

Fibras multimodo de apertura numrica alta.

Secciones de regeneracin pequea o recorridos cortos como en redes locales o tendidas en pequeas reas.

Baja velocidades de modulacin, funcin del ancho de banda permitido.

LASER (LIGHT AMPLIFICATION BY SIMULATED EMISSION OFRADIATION).

(AMPLIFICACIN DE LUZ POR EMISIN ESTIMULADA DE RADIACIN)

Son Fuentes de luz coherente de emisin estimulada con espejos semi reflejantes formando una cavidad resonante, la cual sirve para realizar la retroalimentacin ptica, as como el elemento de selectividad (igual fase y frecuencia).

El lser se caracteriza por emitir haces luminosos estimulados y por lo tanto coherentes, lo que produce que se aumente la potencia de salida, disminuyan los anchos espectrales y el haz de luz sea mucho ms directivo.

Entre los principales tipos de diodos laser se tiene:

FABRY PEROT.

Este diodo laser est constituido por dos espejos en los extremos de la gua, constituyndose en una cavidad resonante en donde la luz es reflejada y vuelta a reflejar entre los dos espejos a ambos lados del semiconductor, presenta algo de inestabilidad en la potencia de salida y se utiliza para la transmisin de datos en el retorno.

VCSEL (VERTICAL-CAVITY SURFACE-EMITTING LASER)

El lser emisor de superficie de cavidad vertical posee espejos resonadores arriba y abajo de la capa activa, lo que produce que la luz resuene perpendicular a la juntura y emerja a travs de un rea circular en la superficie. Posee menor corriente de umbral a la cual se presenta el efecto laser, adems consume poca potencia y tiene mayor tiempo de vida til. Se usa comnmente con la fibra multimodo

Los VCSELs pueden ser construidos con GaAs, InGaAs.

DFB (DISTRIBUTED FEEDBACK LASER)

En el lser de retroalimentacin distribuida la red de difraccin se distribuye a lo largo de todo el medio activo. La longitud de onda de la red determina la longitud de onda emitida por el lser, en una lnea muy fina del espectro.

DBR (DIDTRIBUTED BRAGG REFLECTOR).

El reflector de Bragg distribuido, en este dispositivo la red de difraccin esta fuera de la zona activa, en donde no circula corriente (parte pasiva de la cavidad).

En este dispositivo la red de difraccin esta fuera de la zona activa, en donde no circula corriente (parte pasiva de la cavidad).

Los diodos DFB y DBR son utilizados en fibras monomodo y son sensibles a variaciones de temperatura.

ESPECIFICACIONES ESTNDAR DE FUENTES DE FIBRA PTICA

TIPO DE DISPOSITIVO

LONGITUD DE ONDA (NM)

POTENCIA DENTRO DE LA FIBRA (DBM)

ANCHO DE BANDA

TIPO DE FIBRA

LED

850, 1300

-30 A -10

10 GHZ

MULTIMODO,

PEROT

1330), 1550 (1480-

MONOMODO

1650)

LSER DFB

1550 (1480-1650)

0 A + 13 (+25 CON AMPLIFICADOR PTICO)

>10 GHZ

MONOMODO

VCSEL

850

-10 A 0

>10 GHZ

MULTIMODO

PROCESO DE EMISIN.

El proceso de generacin de luz es similar al del LED. Las diferencias radican en el volumen de generacin, ms pequeo en los diodos laser, y en una alta concentracin de portadores inyectados. Se consigue as una ganancia ptica alta y un espectro muy estrecho que da lugar a luz coherente. La pastilla lser suele tener una longitud de 300nm, con dos caras cuidadosamente cortadas en ambos extremos a modo de espejos. El origen de la misin de fotones es la recombinacin directa electrn-hueco en la capa activa.

El dispositivo lser consta de un medio activo capaz de generar un haz lser. En la generacin intervienen 4 procesos: absorcin, bombeo, emisin espontnea y estimulada.

COMPONENTES DEL DISPOSITIVO LSER

Consta de un medio activo, un mecanismo de bombeo para generar el fotn inicial y 2 espejos, uno totalmente reflector y el otro parcialmente.

De esta manera se ha producido una amplificacin de luz a travs de una emisin estimulada de radiacin. Este es el efecto lser lser. As tambin se llama el dispositivo.

El dispositivo lser o diodo lser tambin se conoce como diodo de inyeccin lser ILD

Puede producir luz visible (roja, verde o azul) y luz invisible (infrarroja) en la segunda (1310 nm) y en la tercera ventana (1550 nm).

PROPIEDADES DEL HAZ LSER

MONOCROMTICO

DIRECCIONAL

COHERENTE

De una sola longitud de onda.

Patrn de radiacin contenido en

Todas las ondas individuales estn en

En realidad, de un ancho

una regin angular pequea,

fase una con otra en cada punto. La

Espectral bastante estrecho.

haciendo el acople con haciendo el

coherencia es el trmino usado para

acople con fibras monomodo ms

describir la propiedad de fase de las

fcil y eficiente.

ondas de radiacin ptica del haz.

EN LA SIGUIENTE TABLA PODEMOS VER LAS CARACTERSTICAS DE LOS LSER SEGN SU COMPOSICION:

Lser se utiliza generalmente en sistemas de comunicacin con:

Potencias pticas de salida alta.

Fibras nomomodo o multimodo.

Alta velocidad mxima de modulacin y grandes capacidades de transmisin.

Gran longitud, donde se requiere alta potencia y baja dispersin en la fibra.

PARMETROS ESTNDAR DE RENDIMIENTO DE SISTEMAS/ENLACES DE FIBRA PTICA

Tipo de enlace

Fibra

Tipo de fuente

Longitud de onda (nm)

Potencia de transmisin (dBm)

Sensibilidad del receptor (dBm)

Margen del enlace (dB)

Transmisin de voz

monomodo

Lser

1310/1550

+3 a -6

-30 a -45

30 a 40

monomodo

DWDM

1550

+20 a 0

-30 a -45

40 a 50

Transmisin de datos

multimodo

LED/

850

-3 a -15

-15 a -30

3 a 25

VCSEL

Lser

1310

-0 a -20

-15 a -30

10 a 25

CATV(AM)

multimodo o monomodo

monomodo

Lser

1310/1550

+10 a 0

0 a -10

10 a 20

DIFERENCIAS ENTRE DIODOS LED E ILD.

La emisin de luz es dirigida en una sola direccin: Un diodo LED emite fotones en muchas direcciones. Un diodo lser, en cambio, consigue realizar un guiado de la luz preferencial una sola direccin.

Emisin de luz de LED-ILD

La curva de respuesta de emisin de LED-IL

LA EMISIN DE LUZ LSER ES MONOCROMTICA

Los fotones emitidos por un lser poseen longitudes de onda muy cercanas entre s. En cambio, en la luz emitida por diodos LED, existen fotones con mayores dispersiones en cuanto a las longitudes de onda

Con el lser se pueden conseguir rayos de luz monocromtica dirigidos en una direccin determinada. Como adems tambin puede controlarse la potencia emitida, el lser resulta un dispositivo ideal para aquellas operaciones en las que sea necesario entregar energa con precisin.

Un diodo lser requiere de una fuente de alimentacin de 100 a 200 mW.

Item

LED

ILD

Tipo de Fibra

MM

MM, MM

Tx de Datos

Bajo

Alto

Tiempo de vida

Largo

Corto

Costo

Bajo

Alto

Diferencias entre LED-ILD

LASER

LED

Ms rpido

Mayor estabilidad trmica

Potencia de salida mayor

Menor potencia de salida, mayor tiempo de vida

Emisin coherente de luz

Emisin incoherente

Construccin es ms compleja

Ms econmico

Actan como fuentes adecuadas en sistemas

Se acoplan a fibras pticas en distancias cortas de

de telecomunicaciones

transmisin

Modulacin a altas velocidades, hasta GHz

Velocidad de modulacin hasta 200MHz

VENTAJAS DE LOS ILD SOBRE LOS LED.

Como los ILD tienen una direccin de irradiacin ms dirigida, es ms fcil de acoplar su luz en una fibra ptica. Esto reduce las perdidas por acoplamiento y permite usar fibras ms pequeas.

La potencia de salida radiante de un ILD es mayor que la de un LED. Una potencia normal de salida de un ILD en 5mW (7dBm), en comparacin con 0.5mW (-3dBm) para lo LED. Eso permite que los ILD proporcionen una mayor potencia de activacin, y usarlos en sistemas que funcionen a travs de mayores distancias.

Los ILD se pueden usar a frecuencias mayores de bits que los LED.

Los ILD generan luz monocromtica, lo cual reduce la dispersin cromtica o longitudes de onda.

DESVENTAJAS DE LOS ILD SOBRE LOS LED.

Los ILD cuestan normalmente 10 veces ms que los LED.

Como los ILD trabajan con mayores potencias, suelen tener duraciones menores que las de los LED.

Los ILD dependen ms de la temperatura que los LED.

EJEMPLOS DE FUENTES PTICAS.

SHOTT:

La rpida evolucin de los LED permite actualmente disponer de una fuente de iluminacin para fibra ptica basada en esta tecnologa. Schott-Fostec ha desarrollado esta fuente de iluminacin con el propsito adicional de tener una fuente de luz de la mxima duracin, haciendo adecuada la combinacin de la fibra ptica y los LED para las aplicaciones industriales donde no se debe interrumpir la produccin.

Esta nueva fuente viene equipada con un potencimetro, que permite adaptar la potencia de la luz a su aplicacin. Puede incluir opcionalmente un mecanismo de obturacin controlable, as como un sistema de regulacin remoto va Ethernet o RS-232 que permite el control desde cualquier sistema externo.

KIT LIGERO PTICO DE FIBRA DEL LED, FUENTE DE LUZ LED (ORP-011)

Kit ligero ptico de fibra del LED, luz de fibra ptica/iluminacin, fuente de luz del LED (ORP-011)

DESCRIPCIN DEL PRODUCTO

Las fuentes de luz de TLsanli LED son nuestro ltimo desarrollo. Incluye solo color y multicolor. La fuente de luz del LED se disea especialmente para el mercado de bricolaje, su mezcla duradera, a todo color, la fcil-operacin y el bajo costo enble el motor de alta tecnologa de la fibra y de la luz entran cada familia y todos que estn interesadas en ellos. Tenemos tres tipos: Kit de la fuente de luz del poder ms elevado LED, kit ligero normal del motor del LED y kit ptico de fibra del RGB LED. Incluye el color multicolor, del poder ms elevado que cambia y cambio del color del RGB. La fuente de luz de TLsanli LED se disea especialmente para el mercado de bricolaje, su mezcla duradera, a todo color, la fcil-operacin y el bajo costo enble el motor de alta tecnologa de la fibra y de la luz entran cada familia y todos que estn interesadas en ellos.

FUENTES PTICAS LASER

IXL LIGHTWAVE(LASER)

Fuente de iluminacin ptica.

CARACTERSTICAS:

8 canales de mdulos de fuente seleccionables por el usuario de lser.

Estabilidad de la longitud de onda de 3pm con estabilidad de la energa de 0.003dB.

Fuentes especificadas cliente del WDM DFB que cubren S, C, y L vendas en hasta 20mW por el canal.

Modulacin sncrona interna a 500KHz.

Mdulos de interruptor pticos de fibra disponibles.

Interfaces GPIB/IEEE488 y RS-232.

El FOM-7900B es una plataforma fibroptica de alto rendimiento de la prueba y del desarrollo con ocho canales que apoyan fuente de laser enchufable y los mdulos de interruptor pticos de fibra. Este sistema

proporciona una solucin rentable para los usos de prueba del WDM y de CWDM incluyendo EDFA, SOA, y la caracterizacin componente ptica de fibra.

Los mdulos enchufables del panel de delante se ofrecen en las longitudes de onda definidas por el usuario de 1475-1625nm incluyendo los canales del servicio en 1310, 1480, 1510, y 1625nm. Cada canal se puede templar sobre una gama 1.7nm con la resolucin 0.001nm. Estas fuentes se pueden modificar para requisitos particulares para cumplir requisitos especiales incluyendo tipo ptico del conectador de fibra, alineacin y fibra del P.M., y longitud de onda de centro en puntos de rejilla del ITU.

Para requisitos de sistema ms altos del WDM de la densidad, hasta 25 unidades centrales adicionales de FOM-7900B se pueden ligar juntas para un total de 200 canales, todo controlado de una sola direccin del bus de interface de fines generales.

BIBLIOGRAFA.

Sistemas de comunicaciones electrnicas - Wayne Tomasi

http://www.fibraopticahoy.com/fuente-de-luz-led-para-fibra-optica-2/

http://jasp.net/optics/fuentes.xhtml

http://www.directindustry.es/prod/ilx-lightwave/fuentes-opticas-para-pruebas-de-redes-de-fibra-optica-36216-227866.html

Universidad de Aquino Bolivia Ingeniera de Telecomunicaciones

19