Los sistemas de fibra óptica están diseñados con fibras separadas para la transmisión (TX) y la recepción (RX), cuyos extremos se encuentran terminados en un transmisor y un receptor de luz. El transmisor puede emplear o un diodo emisor de luz (LED=Ligth Emisor Diode) o un laser como elemento de salida. A estos elementos se les denomina convertidores electro-ópticos (E/O), encargados de convertir la señal eléctrica en óptica. Los lasers presentan una mayor ganancia del sistema que los diodos LED debido a su mayor potencia de salida y a un mejor acoplamiento de la señal luminosa dentro de la fibra. La principal ventaja del diodo LED es su bajo costo.
En aplicaciones donde la ganancia del sistema no es un factor importante, el ahorro en el costo puede ser un factor determinante en la elección de los diodos LED como transmisores.
El cable de fibra óptica se acopla al transmisor a través de un conector de precisión. La mayor parte de los sistemas por fibra óptica utilizan modulación digital, la modulación analógica se logra variando la intensidad de la señal luminosa, o modulando el ancho del impulso. La modulación analógica es apropiada para la transmisión de una señal de video y se utiliza en los sistemas de televisión por cable.
El receptor consiste en un diodo PIN o un APD, que se acopla a la fibra óptica. El diodo convierte los impulsos de luz en impulsos eléctricos, denominándoseles convertidor opto-eléctrico (O/E) Como la señal óptica se propaga a través de la fibra óptica, se ve degradada por la atenuación y la restricción de anchura de banda de la fibra. Por esta razón, es necesario regenerar la señal transmitida. La forma más apropiada de realizar esta tarea es tratando la señal en forma eléctrica. DE aquí que los convertidores O/E y E/O sean componentes indispensables en un repetidor óptico. El amplificador e igualador de la señal eléctrica son similares en los sistemas de transmisión convencionales.
Los sistemas por fibra óptica aceptan a su entrada señales digitales normalizadas, pero cada fabricante desarrolla su propia velocidad de la señal de salida. Los bits de protección contra errores y de los códigos de línea se insertan para mantener la sincronización y supervisar la probabilidad de errores de tal forma que se determine el momento adecuado para utilizar el canal de reserva. Debido a las diferencias en las señales en línea, los sistemas correspondientes a distintos fabricantes no suelen ser compatibles entre sí.
En los semiconductores dopados existen átomos donadores, que dan origen al material tipo N y átomos aceptores que dan origen al tipo P. Cuando un electrón pasa de la BC a la BV se produce una pérdida de energía la que se libera de distintas formas. Algunos de los tipos de transiciones de la recombinación electrón-hueco pueden ser:
Transición banda-banda: El electrón de la BC se recombina con un hueco de la Banda de Valencia. Como resultado del salto la energía se emite en forma de un fotón (partícula asociada a la energía electromagnética).
Transición entre niveles: El caso anterior ocurre en un semiconductor intrínseco; cuando se disponen de dopantes aparecen niveles intermedios de energía. Se tienen combinaciones de electrones del semiconductor con huecos de aceptor o electrones del donador y huecos de aceptor. La longitud de onda será levemente diferente debido a que el salto de energía también lo es. Este caso debe ser tolerado debido a que los dopantes son colocados deliberadamente
Transición metálica: Las impurezas metálicas aportan niveles intermedios que permiten recombinaciones entre electrones del semiconductor con huecos de metal o electrones del metal con huecos del semiconductor. En este caso la longitud de onda difiere ampliamente de las anteriores. Este caso no es deseado pues se emiten fotones fuera de la banda de longitudes de onda esperada, para disminuir este efecto debemos aumentar la pureza durante la producción del semiconductor
Transición mediante fonones: El salto de energía se transforma en un fonón que es la partícula asociada a la energía térmica. Se dice que se libera calor en lugar de luz.
Efecto Auger: La energía se transfiere desde un electrón a otro electrón de la Banda de Conduccion el cual adquiere mayor energía y luego la libera mediante un fonón.
Emisión estimulada: Cuando la densidad de fotones es elevada puede ocurrir que un fotón actúe como catalizador para otra transición, obteniéndose dos fotones de igual energía y en fase (emisión coherente). Este caso es deseado para la construcción de emisor Láser
Absorción: El fotón es absorbido por un electrón de la Banda de Valencia y pasa a la Banda de Conducción creándose un par electrón-hueco.
LEDs. Utilizan una corriente de 50 a 100 mA, su velocidad es lenta, solo se puede usar en fibras multimodo, pero su uso es fácil y su tiempo de vida es muy grande, además de ser económicos.
Lasers. Este tipo de emisor usa una corriente de 5 a 40 mA, son muy rápidos, se puede usar con los dos tipos de fibra, monomodo y multimodo, pero por el contrario su uso es difícil, su tiempo de vida es largo pero menor que el de los LEDs y también son mucho más costosos.
El diodo emisor de luz posee una unión PN polarizada directamente la cual emite luz a través de emisión espontanea este fenómeno se le llama electroluminiscencia. La luz se genera debido a la recombinación radiactiva de pares electrón-hueco en la región de vaciamiento. Parte de la luz generada se escapa del dispositivo y se acopla a la fibra.
LED de Emisión por Superficie
Este diodo emite la luz en muchas direcciones, pero según la forma física de la unión, puede concentrarse en un área muy pequeña denominada pozo. Con la ayuda de lentes ópticos que se colocan en superficie, se pueden lograr mayores concentraciones de luz.
LED Emisor de Borde
Este diodo emite un patrón de luz en forma elíptica, más direccional que el emitido por los diodos de emisión superficial.
Los diodos emisores superficiales son más utilizados que los diodos emisores de borde, porque emiten más luz, sin embargo, sus pérdidas de luz por conexión son mayores y su ancho de banda muy angosto.
Se puede decir que las aplicaciones en sistemas de comunicaciones se corresponden con:
- Fibras multimodo de apertura numérica alta, que compensa la gran superficie de emisión y la baja potencia de salida y fibras monomodo.
- Secciones de regeneración pequeña o recorridos cortos, redes locales o tendidos en pequeñas áreas, que no precisen regeneradores, ya que el gran ancho espectral lleva a dispersiones muy altas, provocando incluso que la dispersión cromática pueda superar a la modal.
- Baja velocidad de modulación, función del ancho de banda permitido.
Emisores.
LED
El proceso de generación de luz en un LED se basa en el efecto de ectroluminiscencia.
En un LED la luz se emite según los 3600 que corresponden a una radiación esférica, pero en la práctica, esto queda limitado por la construcción metálica del diodo, la reflexión en el material utilizado y la absorción en el metal semiconductor.
Un ancho de banda típico de un LED es de 200 MHz, con rendimientos de 50 mW/mA. Los LED presentan un espectro de emisión más ancho que los láser. Un LED de 850 nm. tiene un ancho entre 30 y 50 nm.
El LÁSER
El proceso de generación de luz en un diodo láser es similar al del LED, pero con un volumen de generación menor y una alta concentración de portadores inyectados. Se consigue así una elevada ganancia óptica y un espectro de emisión muy estrecho que da lugar a luz coherente.
La luz de este tipo de láser puede acoplarse fácilmente va una fibra multimodo juntando simplemente a tope un extremo de la raya del láser contra el extremo del núcleo de la fibra, que tiene un diámetro mucho mayor. También puede acoplarse a una fibra monomodo.
Consta básicamente de una estructura (p – n) y contactos metálicos. Inicialmente se fabricó de GaAs, luego pasó a ser fabricado de GaAIAs, logrando así emisiones en la franja de 800 a 900 nm, que es donde está la primera ventana de transmisión de las fibras ópticas.
El diodo LASER produce una salida de 5 mw, con una corriente de 200 mA y una tensión de 1,5 voltios.
Existen 2 tipos de diodos LASER:
1. Diodos Laser de franjas de óxidos (DL) GaAIAs / GaAs.
2. Diodos Laser con control por índice (ILD) GaInAsP / InP.
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