Experimento VI, El diodo emisor de luz como fuente luminosa.

Experimento VI, El diodo emisor de luz como fuente luminosa.

Nelson  Omar Baca Barahona 20121000031

RESUMEN: El diodo emisor de luz (LED) es un dispositivo semiconductor usado para convertir señales electrónicas en ondas luminosas en sistemas de comunicación de fibras ópticas. Los LEDs utilizados en las fibras ópticas son similares a aquellos usados en otras aplicaciones comunes, como ser en algunas calculadoras de bolsillo, relojes digitales e indicadores del tablero de instrumentos. Los LEDs de fibra óptica son sin embargo más complejos, precisos, y son fabricados con mayor cuidado.

PALABRAS CLAVE:

Intensidad óptica: se define como la cantidad de flujo luminoso que emite una fuente por unidad de ángulo solido.

Potencia óptica: a magnitud física que mide la capacidad de   hacer converger o divergir un haz de luz incidente.

1. INTRODUCCIÓN

En este informe presentamos los resultados obtenidos al realizar un experimento cuya finalidad es describir las caracteristicas del diodo emisor como fuente luminosa.  

1. OBJETIVOS

- Aprender a operar el medidor de potencia óptica.

- Aprender a usar las unidades dBm.

1. MARCO TEÓRICO

El diodo emisor de luz y el láser de inyección.

A pesar de que numerosos dispositivos fueron planeados con propósitos de la generación luminosa en sistemas de fibra de óptica, hasta ahora, sólo dos clases de dispositivos son convenientes: el LED y el láser de inyección. Ambos son diodos semiconductores, los cuales son modulados directamente, variando la corriente de entrada. Ambos están hechos de los mismos materiales semiconductores. Cada uno sus propias ventajas. En una aplicación dada, la elección final entre ellos, depende del costo, niveles de potencia óptica, ritmos de modulación longitud de onda, sensibilidad a la temperatura, eficiencia de de acoplamiento, y requisitos de la vida útil.

Tanto el LED como el láser de inyección pueden ser usado para la transmisión de señales digitales. El láser de inyección tiene un tiempo de respuesta más rápida y por lo tanto puede lograr mayores ritmos de modulación de hasta 10 GHz, mientras que el LED opera sólo hasta 200 MHz. Por otra parte el LED tiene una relación prácticamente lineal entre la corriente de entrada y la luz a la salida. Esto  hace que los LED  sean dispositivos ideales para la transmisión de señales analógicas.

La potencia de la luz generada por un  láser de inyección es mucho mayor que la del LED: para la misma potencia de excitación un láser de inyección típico una salida de 0.5 a 1.0mw. Debido a su alta salida a su alta salida de potencia el láser de inyección es más apropiado para transmisiones a larga distancia.

En forma ideal toda la luz generada por la fuente de luz debería entrar a la fibra óptica. Sin embargo tal como se muestra en la figura 1, el LED emite luz en todas direcciones, es decir, la luz emitida tiene una distribución esférica, sobre un angulo de1800 . Una fuente de luz que transmita con esta configuración se denomina lambertiana. En la figura 1 también  se que la luz emitida por el láser de inyección es mucho más concentrada, o direccional. Debido a su angulo de emisión más angosto, el láser de inyección puede ser  acoplado más efectivamente a la fibra óptica.

Sin embargo, a pesar de sus ventajas, el láser de inyección también tiene sus desventajas:

1. El láser de inyección es mucho más caro que el LED, típicamente el láser cuesta unos cientos de dólares, mientras que el LED cuesta aproximadamente unos 10 a 20 dólares.

2. Los láseres son muy sensibles a la temperatura. La salida del láser debe ser medida y se debe proveer un control de re alimentación para mantener la potencia de salida constante, aunque hayan variaciones en la temperatura. Estos circuitos de control hacen el sistema más complejo y por lo tanto, menos confiable.

3. El ciclo de vida del láser, a temperatura ambiente, es mucho más corto que el LED. Muchos fabricantes garantizan un ciclo de vida solo104 horas. En cambio los LEDs pueden operar106 a107 horas.

Por lo tanto aunque el LED no logra las mismas características del láser de inyección, del punto de vista del ritmo de modulación, potencia óptica emitida y configuración de emisión, tienen mayor longevidad y relativamente un bajo precio. Estas características los hacen atractivos para ciertas aplicaciones en sistemas ópticos. Por ejemplo el LED emite suficiente luz para aplicaciones en rangos medios (hasta 5 km), usando fibras de gran diámetro y gran apertura numérica NA. Por esto los LEDs son bastantes apropiados para el uso en el sistema OPCOM-1, en el cual la distancia máxima de transmisión es 350m, y en el cual se usa fibra óptica con núcleos con gran diámetro (200um).

GENERACION DE LUZ POR MEDIO DEL LED

La emisión de luz en el LED y en el láser de inyección se obtiene inyectando portadores minoritarios (huecos y electrones) a través de la juntura P-N polarizada en forma directa. Después de pasar la juntura, se recombinan con los portadores mayoritarios (huecos por la parte P y electrones para N). Durante la recombinación, un electrón de la banda de conducción es transferido a la banda de valencia. En la transición el electrón pierde energía, la cual a veces es liberada en la forma de un fotón. Entonces la energía del fotón es igual a la separación de los niveles energéticos del material:

hv=eVgap

en donde

eVgap: separación de los niveles energéticos

h: constante de Planck

v: frecuencia de la luz

Si el número de fotones emitidos es suficientemente alto, se forma un rayo de luz. La radiación espontanea que resulta se llama incoherente, debido a que los fotones se emiten al azar. Este proceso que ocurre en un LED, se denomina emisión espontanea.

El mismo proceso de inyección/recombinación ocurre en toda juntura P-N.

El material usado para fabricar el LED determina si la radiación será de color visible o invisible (infrarrojo).

La primera generación de LEDs (como laser de inyección) se basa en sales arsénicas de galio (GaAs) y sales arsénicas de galio y aluminio (GaA1As) y emiten a longitud de ondas de 800 nm a 900 nm. Esto corresponde a la luz cercana al infrarrojo.  En esta longitud de onda, las fibras ópticas existentes hoy en dia, tienen baja atenuación.

En el presente, se lleva a cabo grandes labores de investigación para desarrollar una segunda generación de fuentes de sales de arsénico – fosfóricas de indio y galio, que operan en el rango de 1500 a 1600 nm (extremo del infrarrojo. En estas longitudes de ondas, las pérdidas de la fibra óptica disminuyen considerablemente. Los elementos existentes son aun caros para ser usados en forma extensiva.

TIPOS DE LED

Los varios tipos de LED difieren en la técnica estructural y de encapsulado. Los dos tipos de estructuras básicas usadas con las fibras ópticas se denominan emisión superficial y emisión lateral. Los dispositivos de emisión superficial se subdividen en dispositivos planos, cupulares y de hendidura. Los dispositivos de hendidura son también llamados Burrus, debido al nombre del inventor.

CARACTERISTICAS DEL LED.

Hay varios criterios de importancia para LEDs a ser utilizados con fibras ópticas:

• Potencia de salida: la potencia óptica emitida deberá ser la máxima posible con la eficiencia de conversión máxima o la mínima corriente de excitación  
• Configuración de la emisión: para transferir una máxima cantidad de potencia de emisión a través de la fibra, la configuración del rayo de emisión del LED deberá ser colimado lo más posible, a un diámetro igual o menor que al de la fibra
• Longitud de onda de salida: la longitud de onda de emisión pico coincide con la longitud de onda de perdida mínima para la fibra usada.
• Ancho de banda de salida: la salida óptica deberá ser monocromática, en lo posible
• Velocidad: debido a que los LEDs tienen tiempos de encendido y apagado (tiempo de subida y de bajada) definidos, es importante escoger un LED con tiempos de conmutación apropiados que correspondan al ritmo máximo de datos den un sistema en particular. El tiempo de subida es el término especificado más a menudo. El ancho de banda del sistema en (3dB) depende del tiempo de subida (tr) de acuerdo a la siguiente formula:

BW=0.35/tr

BW es el ancho de banda del sistema en los puntos de 3dB

• Expectativa de vida: el tiempo de vida deberá ser muy largo.

ACOPLAMIENTO ENTRE EL LED Y LA FIBRA

El acoplamiento del LED a la fibra óptica presenta un serio problema, la mayor parte de la luz emitida por el LED se pierde.

La conexión entre la fuente y la fibra se evalúa en base a su eficiencia de acoplamiento. La eficiencia de acoplamiento se define como la razón (en porcentaje) entre la potencia recibida por la fibra (Pf) y la potencia por la fuente (Ps)

  Eficiencia de Acoplamiento = (Pf/Ps)

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