Fuentes de luz - arturo lara morales

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8.1 Fuentes de luz
Con el fin de optimizar la entrega de potencia a una fibra óptica y la transmisión de la señal a lo largo de ella, es deseable que la fuente de luz cumpla, en primer lugar, con los dos siguientes requerimientos básicos:
· Anchura espectral angosta (AX)
· Alta coherencia espacial
La anchura espectral está relacionada directamente con la dispersión cromática, ya que la potencia entregada por la fuente luminosa no es emitida en una sola longitud de onda, sino que está distribuida en distintas longitudes alrededor de la longitud de onda central. La anchura espectral AX se define como la diferencia relativa en nanometros entre los puntos donde la potencia emitida se reduce al 50% con relación a la máxima.
Hay dos tipos de fuentes y ambas funcionan con diodos semiconductores. La primera es el “LED” o diodo emisor de luz (también llamado diodo de efecto luminiscente). La segunda es el “LD” o diodo láser (también llamado láser de inyección o láser semiconductor). El LD tiene una anchura espectral mucho más angosta que el LED; por tal razón, se dice que el primero es una fuente con coherencia temporal o cuasi-monocromática y que el segundo
Fig. 8-2 Anchura espectral típica de un LED (compárese con la Fig. 8-4, correspondiente a un LD).
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es una fuente no coherente (Fig. 8-2). Los materiales semiconductores que se utilizan para fabricar estas fuentes ópticas son:
Ventana de operación	Material
Ia	AlGaAs
2a	InGaAsP
3a	InGaAsP
Los LEDs se utilizan comúnmente en la primera y segunda ventanas de operación, y los LDs en la segunda y tercera ventanas.
El diodo láser amplifica la intensidad de la luz por emisiones estimuladas, en forma parecida a otros tipos de láseres que se usan en aplicaciones muy diferentes. Para que dicho efecto láser pueda producirse en el material semiconductor es necesario que haya una cavidad resonante, de manera similar a lo que se estudió para las guías huecas (véase la sección 4.8.9). La cavidad resonante consiste de dos espejos planos paralelos y recibe el nombre de cavidad Fabry-Pérot. Los fotones de luz* viajan muchas veces de ida y regreso, reflejándose sobre los espejos; además, en el medio hay “inversión de población”, o sea que los fotones generan otros fotones en fase en cada trayecto de su rebote sucesivo. El resultado final es la amplificación de la luz.
Ahora bien, al igual que en una cavidad resonante de una guía de ondas (Fig. 4-20), en el caso de un resonador óptico también se producen muchos modos de propagación que satisfacen las condiciones de frontera impuestas por la cavidad. Cada modo oscila a una frecuencia diferente, que depende de la geometría y dimensiones del resonador óptico. Luego, el diodo láser es un dispositivo multimodo. Sin embargo, es bien conocido que conforme se incrementa la corriente del diodo, el modo central se amplifica más rápido que los modos laterales. De esta forma, se tiene una salida de potencia espectral que es cada vez más uni o mono-frecuencia con corrientes altas de operación. En la Fig. 8-3 se ilustran comparativamente estos conceptos.
• La dualidad de la luz, aceptada actualmente, permite que ciertos fenómenos luminosos se f puedan describir mejor por ondas electromagnéticas, mientras que otros tipos de fenómenos son preferentemente estudiados y descritos por la teoría de partículas, en base a fotones, que son considerados como paquetes de energía.	•
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Corriente de excitación en el diodo = l0 Corriente de excitación en el diodo >> l0
Fig. 8-3 Conforme aumenta la corriente de excitación en el diodo láser, el cociente de intensidades entre el modo central y los laterales también aumenta.
Las técnicas de detección coherente en el extremo receptor de un enlace requieren que la fuente de luz sea mono-frecuencia. De allí que, además de lo explicado en el párrafo anterior, con relación al dominio del modo central para corrientes altas, se utilizan vanas técnicas electrónicas adicionales de depuración, para reducir el número de modos transversales y laterales hasta lograr una respuesta de salida prácticamente monocromática como la mostrada en la Fig. 8-4. La anchura espectral es sólo del orden de 1 nm, en contraste con aproximadamente 35 nm para un LED (compárese con la Fig. 8-2).
La característica de “alta coherencia espacial” de la fuente luminosa, listada en segundo término al inicio de esta sección, ya sea de un LED o de un LD, está determinada por su patrón de radiación. Mientras más directivo sea éste, más fácil será que la potencia emitida quede dentro del cono de aceptación de la fibra (Fig. 7-23) y, por lo tanto, habrá una alta eficiencia de acoplamiento entre la fuente luminosa y el núcleo de la fibra óptica.
El patrón de radiación de un diodo láser es mucho más directivo que el correspondiente a un LED. Este último tiene un patrón muy ancho, del tipo “lambertiano”. Por lo tanto, el LD tiene una mejor coherencia espacial. En
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Fig. 8-4 Salida monocromática de un diodo láser.
la Fig. 8-5 se muestran los valores típicos para el ancho de los haces en planos transversales del patrón de radiación. En cada caso, el ancho del haz se define como el ángulo formado entre los dos puntos simétricamente opuestos donde la potencia disminuye a la mitad con relación a la potencia en la dirección de máxima radiación, tal como se acostumbra en la teoría de antenas.
Los otros dos parámetros restantes que conllevan a determinar la calidad de la fuente son su capacidad de modulación (a mayor velocidad de respuesta, mayor tasa de transmisión de datos) y su eficiencia de conversión electro- óptica (transformación de niveles de voltaje a intensidades de luz). Abreviaremos aquí diciendo simplemente que el LD supera al LED en ambos casos. Una comparación aproximada, en donde se combinan la anchura espectral y la eficiencia de conversión electro-óptica de un LD y un LED, se ilustra en la Fig. 8-6, para operación en la segunda ventana. Actualmente, la potencia máxima de salida típica de un láser semiconductor o de inyección es de 10 mW, mientras que un LED normalmente tiene una potencia de salida del orden de 0.1 mW.
De todo lo anterior se concluye que el LD es muy superior operativamente al LED. Sin embargo, hay que notar que su precio es mayor, su vida útil es más corta y es más sensible a las variaciones de temperatura con relación al
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Diodo emisor de luz (LED)*
Diodo láser (LD)
Fig. 8-5 Respuestas típicas del patrón de radiación de un LED y un LD, que definen la coherencia espacial de la fuente.
* Este patrón corresponde al de un LED optimizado, denominado LED "con emisión en el borde (ELED)” o "de emisión lateral”. Los LEDs más simples, llamados “con emisión de superficie” tienen un haz más ancho (a = [3 = 120°).
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diodo emisor de luz. Para distancias cortas y redes locales, el LED es suficiente. En cambio, para enlaces de larga distancia, el láser semiconductor es obligado, por su alta coherencia temporal y espacial, además de contar con una alta eficiencia electro-óptica y una gran capacidad de modulación.
Fig. 8-6 Comparación aproximada de la anchura espectral (AX) y la potencia de salida de un LD con un LED.