Fundamentos de redes cableadas - TEMA 3: Medios de Transmisión Ópticos PDF

Fundamentos de redes cableadas TEMA 3: Medios de Transmisión Ópticos 3.1 Fundamentos y características básicas. 3.1.1 Fuentes de luz y detectores Manuel López-Amo Sainz...

Fundamentos de redes cableadas TEMA 3: Medios de Transmisión Ópticos 3.1 Fundamentos y características básicas. 3.1.1 Fuentes de luz y detectores Manuel López-Amo Sainz [email protected] -1-  Indice 1. Introducción 2. Fundamentos 3. Fuentes de luz Unión p-n LEDs Diodos Láser 4. Detectores 5. Resumen y conclusiones. -2-  1. Introducción: Primeras comunicaciones ópticas Entonces Dios dijo: "Hágase la luz". Y la luz se hizo. Dios vió que la luz era buena, y separó la luz de las tinieblas; (Génesis cap. 1, v. 3 y 4) - Griegos: Desarrollan la Heliografía (mecanismo para reflejar la luz del sol en superficies reflectantes como los espejos). - 430 D.C. Los Romanos utilizaron antorchas (sistema óptico telegráfico) colocadas en grupos en la cima de las montañas y separadas por distancias variables, para comunicarse en tiempos de guerra. -3-  Introducción: Primeras comunicaciones ópticas Telégrafo óptico: 1794: Línea Paris-Lille de 270 km de longitud 1844- Línea Madrid- Irún -4- Introducción: El telégrafo (1844) Samuel Morse (1791-1872) -5-  Introducción : cable submarino. 1866: Se instala el primer cable telegráfico trasatlántico, entre Norteamérica y Gran Bretaña, por la compañía Cyrus Field & Associates. 1980 Bell Telecom introduce las fibras ópticas en la telefonía. -6- -7-  Introducción: FTTH -8- Fibra hasta el hogar y Fibra hasta el edificio (FTTH y FTTB) 2. Fundamentos: Luz y materia - 10 -  Espectro electromagnético λ: F (Hz): 300 fm 10E21 Rayos γ Frecuencia (f)=c/ λ 300 pm 10E18 Rayos x UV Velocidad de la luz en 300 nm 10E15 Visible el vacio (c)=3x108 m/s IR Velocidad de la luz en 300 μm 10E12 un medio de indice n: Microondas v=c/n 300 mm 10E9 300 m 10E6 Radio - 11 - Espectro Óptico - 12 -  Mecanismos de interacción radiación -materia (I) A) N átomos , N = N1 + N 2 , N 2 = átomos excitados N1 = átomos en estado fundamenta l dN 2 =B12 N1 ρ ( f ) dt dN1 − =B12 N1 ρ ( f ) dt - 13 -  Mecanismos de interacción radiación -materia (II) B) E2 E1 dN 2 = − A21 N 2 dt dN1 = A21 N 2 dt hc ∆E = E2 − E1 = hf = λ h = 6,626 x 10 −34 J.s - 14 -  Mecanismos de interacción radiación -materia (III) C) dN 2 = − B21 N 2 ρ ( f ) dt dN1 =B21 N 2 ρ ( f ) dt - 15 -  Relaciones de Einstein en equilibrio (I) Equilibrio : N1 y N 2 constantes dN 2 = − A21 N 2 + B12 N1 ρ ( f ) − B21 N 2 ρ ( f ) = 0 dt N2 B12 ρ ( f ) = N1 A21 + B21 ρ ( f ) Boltzmann: Boltzmann : N2 g1 − ∆E / KT = e N1 g 2 donde : ∆E = hf , K =1,381 x10 − 23 J /º K y g i son parametros dependientes de la degeneración de los subniveles - 16 -  Relaciones de Einstein en equilibrio (II) Planck: La radiación emitida por un sistema atómico en equilibrio viene dada por: ρ( f ) = 3 c [ 8πhf 3 1 hf ] exp ( ) −1 KT Comparando: g2 A21 8πhf 3 B12 = ( ) B21 , = 3 g1 B21 c - 17 -  Relaciones de Einstein en equilibrio (III) Despejando: Emisión estimulada B21 ρ ( f ) 1 = = Emisión espontánea A21 hf exp ( ) −1 KT Ejemplo: Lámpara incandescente a 1000 º K en la que se asume que sólo hay emisión a l=0,5 mm c 3 x 108 14 f= = = 6 x 10 Hz λ 0,5 x 10 −6 Emisión estimulada 1 = Emisión espontánea 6,626 x10 −34 x 6 x 1014 exp ( − 23 ) −1 1,381 x 10 x 1000 = exp(−28,8) = 3,1 x 10 −13 - 18 -  Emisión estimulada en un átomo: Emisión estimulada: bastante improbable a no ser que se invierta la población  Fuentes de luz Unión p-n LEDs Diodos Láser - 20 -  Fuentes de luz para redes de fibra óptica: Introducción Emisores: conversores electro-ópticos Tipos: Light Emitting Diode (LED). Diodo electroluminiscente Diodo láser (LD) Laser Diode Característica deseadas: Tamaño adecuado (alta potencia insertada en la fibra) Conversión E/O: lineal, sin ruido Emisión a longitudes de onda adecuadas Potencia de emisión suficiente para compensar pérdidas Alta velocidad Espectro de emisión estrecho Preferiblemente modulación directa Estabilidad con la temperatura Buen precio y fiabilidad.... - 21 - Unión p-n como fuente de luz - 22 - Repaso. Bandas de energía - 23 -  Repaso. Semiconductor intrínseco hc 1 E g = hf = P( E ) = λ 1 + exp ( E − EF ) / KT 1,24 λ ( µm) = E g (ev) - 24 -  Semiconductores tipo p y tipo n n p Electrones – Electrones – Huecos + Huecos + - 25 - Unión p-n - 26 - Unión p-n con polarización directa - 27 - LED (diodo electroluminiscente) - 28 -  Anchura espectral (∆λ) l0 l0 3 dB ∆λ Longitud de onda (λ) Longitud de onda(λ) Fuente de luz ideal c c∆λ Fuente de luz real f = ∆f = λ λ2 Longitud de coherencia (L) : c λ2 L=t = n ∆λ n 1 t = tiempo de coherencia = ∆f - 29 - Unión p-n como fuente de luz (LED) - 30 -  Semiconductores de gap directo e indirecto Gap directo Gap indirecto - 31 - - 32 -  Diversos materiales semiconductores Tipo de Longitud de Material Fórmula Energía Gap Gap onda Fosfuro de Galio directo GaP 2.24 eV 550 nm Arseniuro de directo AlAs 2.09 eV 590 nm Aluminio Arseniuro de directo GaAs 1.42 eV 870 nm Galio Fosfuro de Indio directo InP 1.33 eV 930 nm Arseniuro de directo AlGaAs 1.42-1.61 eV 770-870 nm Galio y Aluminio Fosfuro de indio- directo InGaAsP 0.74-1.13 eV 1100-1670 nm Galio-arsénico Silicio indirecto Si 1,17 eV 1067 nm Germanio indirecto Ge 0,775 eV 1610 nm Fosfuro de indirecto GeP 2,26 eV 550 nm germanio - 33 -  Heterounión (reducción de la zona de emisión e incremento de la eficiencia) Led de heterounión doble: a) Estructura b) Diagrama de bandas de energía - 34 -  Principales estructuras de los LEDs LED de emisión Diagrama de superficial radiación (Burrus o SLED) LED de emisión de borde (ELED) Diagrama de radiación - 35 -  Características típicas de los LEDs Material Tipo Longitud de onda Anchura Potencia Corriente Tiempo de Activo de emisión (nm) l espectral acoplada de respuesta (nm) Dl a inyección (ns) fibra(µW) (mA) AIGaAs SLED 660 20 190–1350 20(min) 13/10 ELED 850 35–65 10–80 60–100 2/2–6.5/6.5 GaAs SLED 850 40 80–140 100 — ELED 850 35 10–32 100 6.5/6.5 InGaAsP SLED 1300 110 10–50 100 3/3 ELED 1300 25 10–150 30–100 1.5/2.5 ELED 1550 40–70 1000– 200–500 0.4/0.4– 7500 12/12 - 36 - Circuitos analógicos y digitales para LEDs - 37 - Respuesta del LED a una modulación digital - 38 - Comparación de las curvas I-P de los LEDs y los diodos láser LED Láser - 39 -  Indice 1. Introducción 2. Fundamentos 3. Fuentes de luz Unión p n LEDs Diodos láser 4. Detectores 5. Resumen y conclusiones. - 40 - Mercado mundial de láseres 25% - 41 -  Estructura del láser Fabry–Pérot (F-P) I Diagrama de radiación Medio activo con ganancia Potencia típica 1-3 mW (0-2dBm) L Pot. Optica (mW) L Light EMISION ESPONTANEA EMISION ESTIMULADA A Amplification by S Stimulated A CORRIENTE E Emission of UMBRAL Filtro R Radiation Corriente (mA) - 42 - Inversión de población en uniones p-n - 43 -  Láser Fabry–Pérot de GaAs 2  n1 − n0  r =    n1 + n0  n0 n1 r r - 44 -  Espectro de emisión láser F-P λ 2 c ∆λm = 0 ∆f = 2Ln ∆λΤ 2 Ln λm c m = nL fm =m ∆λm 2 2nL λ0 Anchura espectral Δλ=1 – 18 nm - 45 -  Variación de la característica de emisión con el tiempo y temperatura Pot. Optica (mW) Tiempo Temperatura I (mA) - 46 -  Definiciones eficiencias diodos láser ηint = Eficiencia cúantica interna diferencial = ∆ fotones generados en la cavidad = - (%) ∆ nº de e inyectados típico de 50 a 100 % n º total de fotones salida ηt = Eficiencia total = nº total de electrones inyectados η conv = Eficiencia de Conversión = Potencia óptica de salida P0 = = Potencia Eléctrica de entrada VI - 47 - Láseres monomodo DFB y DBR LASER DFB LASER DBR 0 -10 -20 Rel. amplitude (db) -30 -40 -50 -60 Anchura espectral SMSR:> 30 dB 1490 1500 1510 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 Wavelength (nm) ∆λ < 0.0001 nm ∆f 10 Gb/s) Introducen la información en la portadora óptica usando moduladores externos, a veces integrados junto con el láser en el mismo sustrato (óptica integrada) - 55 -  Encapsulados FIBRA TERMISTOR FOTODIODO PELTIER LASER - 56 - Comparación LED- Diodo láser - 57 -  Trans(re)ceptores de fibra óptica (transceivers) 1 Gbs: 6 € 10 Gbs: 17€ 40 Gbs: 32€ 100 Gbs: 99€ - 58 -  Fuentes de luz: Comparación parámetros esenciales: LED D.Láser Velocidad de respuesta (ns) -  Potencia óptica emitida (dBm) -  Anchura espectral (nm) -  Directividad -  Robustez  - Precio  - - 59 - 1. Introducción 2. Fundamentos 3. Fuentes de luz 4. Detectores Fotodiodos pin y APD 5. Resumen y conclusiones. - 60 -  Unión p-n en detección Una unión p-n fuertemente polarizada en inversa puede actuar como fotodetector. Al incidir fotones en la unión, estos se absorben y generan pares electrón-hueco - 61 -  Polarización del fotodiodo Se utiliza una resistencia de carga de valor pequeño (RL) para que Vp no varíe apenas con la corriente fotogenerada Ip y no se salga del punto de trabajo I V Pen Vp VP Ip V A VL RL VL=Ip* RL Real RL=0 - 62 -  Absorción del fotodiodo Pen Ps hf ≥ E g P exp(−αL) r hc 1.24 r λ≤ λ≤ L Eg E g (eV ) Pen q(1 − r ) I p= (1 − exp(−αL)) hf Ps = Pen exp(−αL)(1 − r ) 2 α = coeficiente de absorción q = carga del electrón r = coeficiente de reflexión - 63 - Coeficiente de absorción - 64 -  Eficiencia cuántica y responsividad Eficiencia cuántica: n º de electrones recogidos re ( elec / s ) η= = n º de fotones incidentes rp ( fot / s ) Responsividad: Ip R= ( A /W ) Pen Pen rp = re = ηrp ηq ηqλ hf R= = ( A /W ) hf hc ηPen re = hf ηPen q Ip = hf - 65 - Responsividad y longitud de onda - 66 - Fotodiodo pin - 67 -  Fotodiodo de unión p-n hf Los detectores de semiconductor sin ganancia interna generan como máximo un único par electrón-hueco por fotón absorbido. p Los fotones pueden absorberse tanto en la zona de carga de espacio (deplexión) como en las regiones de difusión (p o n). La zona de deplexión tiene un tamaño que viene dado por la densidad de dopantes y por el voltaje aplicado. n Un fotón absorbido en la zona de carga de espacio genera un par electrón-hueco que es arrastrado por el campo existente hacia los electrodos. Un electrón fotogenerado fuera de la zona de carga de espacio se difunde también hacia los electrodos. El proceso de difusión es mucho más lento que el proceso de arrastre dentro de la zona de carga de espacio, por lo que interesa que esta última sea lo mas extensa posible - 68 - Campo eléctrico en el interior de una unión p-n - 69 -  Fotodiodo pin hf El fotodiodo pin es la evolución de la unión p- n. Incluye una zona intrínseca de gran p tamaño con objeto de que: 1. Sea el proceso de arrastre (más rápido) el que predomine en el transporte de pares electrón-hueco a los electrodos i 2. La luz tenga más recorrido dentro del dispositivo y por tanto las posibilidades de absorción sean mayores n+ - 70 - Campo eléctrico en el interior de un fotodiodo pin - 71 - Circuito de polarización - 72 - Tipos de fotodiodos pin - 73 - Respuesta en frecuencia del fotodiodo pin - 74 - Fotodiodo de avalancha (APD) - 75 -  Fotodiodo de avalancha (APD) Fotodiodo diseñado para aguantar tensiones de polarización elevadas, cercanas a la de ruptura. Los electrones fotogenerados atraviesan una zona con un elevado campo eléctrico, sufren un arrastre muy fuerte, ganando energía e impactando a alta velocidad con otros átomos, lo que genera iones y nuevos pares electrón-hueco - 76 -  Fotodiodos de Avalancha (APD) Se produce una avalancha de impactos ionizantes, por lo que generamos numerosos electrones por cada fotón absorbido - 77 - Ganancia y tensión de alimentación en un APD - 78 - Factor de multiplicación (M) I sal M= M = 1 para pin Ip - 79 -  Ganancia y ruido Gráfica que relaciona la señal y el ruido de salida de un APD con la ganancia del dispositivo. Existe un punto de operación óptimo que maximiza la relación señal a ruido. - 80 -  Comparación entre fotodiodos pin y APDs Parámetro PIN APDs Materiales Si, Ge, InGaAs Si, Ge, InGaAs Ancho de banda DC a 120+ GHz DC a 100+ GHz Longitud de onda 0.6 a 1.8 µm 0.6 a 1.8 µm Eficiencia de 0.5 a 1.0 Amps/watio 0.5 a 100 Amps/watio conversión Transformador, Electrónica Ninguno estabilización de complementaria temperatura Coste (encapsulado €1 a €500 €12 a €1.000 fibra) - 81 - Detección Directa - 82 -  Pregunta tipo test 1- Los láseres de semiconductor que se utilizan en comunicaciones ópticas: Pueden ser monomodo o multimodo Tienen a la emisión espontánea como mecanismo predominante de generación de luz Son sensibles a cambios en la temperatura y a las reflexiones que devuelvan potencia óptica incidente a su salida Suelen estar polarizados por debajo de la corriente umbral - 83 -  Resumen y conclusiones 1. Introducción 2. Fundamentos Absorción y Emisión 3. Fuentes de luz: LEDs y D.L. 4. Detectores pin y APDs. - 84 -  Principales referencias utilizadas Optical fiber communications. John M. Senior. 2ª edición. Ed. Prentice Hall. Redes ópticas DWDM. G. Junyent. Univ. Politecnica de Cataluña http://www.fiber-optics.info Los semiconductores y sus aplicaciones. J. Pinochet, G. Tarrach. Facultad de Física. Universidad de Chile 2001 Revista Laser Focus world - 85 -