Diodo electroluminiscente (LEDs)

Un diodo electroluminiscente o LED es un dispositivo de semiconductor, formado por una unión pn polarizada en directa que genera luz por emisión espontánea. Los LEDs son especialmente adecuados para comunicaciones de cortas distancias en primera ventana, velocidades no superiores a los 100-200 Mbps y en conjunción con las fibras multimodo. La radiación que se obtendrá de un LED tendrá, en principio, una coherencia muy reducida o casi nula, será mucho menos direccional que un láser y será escasamente monocromático y limitados por dispersión intermodal [4, 16].

El principal inconveniente del LED, consiste en el escaso porcentaje de potencia óptica generada en su interior que puede acoplarse a una fibra óptica monomodo. A ello viene a añadirse el que su ancho de línea es muy superior al de los láseres de semiconductor (30-40 nm para LEDs de AsGa o AlAsGa a 0.85 µm), por lo que en caso de poder emplearse junto con fibras monomodo pueden generar una dispersión cromática muy significativa. Una excepción al caso anterior lo constituye el empleo de LEDs de InGaAsP para comunicaciones en segunda ventana junto con fibras monomodo. En este caso, y al ser el parámetro de dispersión cromática D mínimo, la limitación en longitud de este tipo de enlaces por dispersión cromática a velocidades moderadas (50-200 Mbps) es inferior a la debida dispersión intermodal en primera ventana, pudiéndose en consecuencia aumentar la distancia cubierta empleando una fuente de bajo costo y velocidades de transmisión moderadas [4].

Las configuraciones posibles a la hora de implementar un LED son diversas y, aunque en esencia el LED es una unión pn polarizada en directa, es posible mejorar sus características mediante el empleo de heteroestructuras. En general son tres tipos de estructuras de LEDs que suelen emplearse: a) LED de emisión superficial, b) LED de emisión lateral y c) LED superluminiscente. Algunas configuraciones que se pueden encontrar en los modelos comerciales más sencillos, se muestran en la Figura 1.19 [16].

1.4.1.1LED de emisión superficial

Se fabrican en general con arseniuro de galio dopado con silicio. Una longitud de onda normal emitida con esta estructura es de 0.94 µm, y la potencia normal de salida es aproximadamente, 2 mW (3 dBm) a 100 mA de corriente directa [23].

23

Sólo una fracción del total de luz producida se acopla en la fibra. Una pequeña parte lo hará por las caras laterales, pero al no estar talladas, no darán lugar a realimentación saliendo al exterior. La que se dirija hacia la parte inferior o bien será absorbida por el contacto (de acuerdo con sus características) o se reflejará hacia arriba. Finalmente, la que se encamine hacia la parte superior podrá propagarse libremente y, salvo la que sea absorbida por el semiconductor, saldrá toda ella al exterior a través del orificio existente en el contacto. Esa radiación es la que será aprovechada.

Los LEDs de emisión superficial producen más o menos de 500 µm a 0.9 µm de longitud de onda.

La principal diferencia en lo que se refiere a las características de la radiación de salida, con respecto al láser, se encuentra en el diagrama de radiación. Una salida como la de Figura 1.19b no es particularmente eficiente cuando se trata de acoplarla a una fibra [16].

Figura 1.19 Diferentes tipos de configuraciones de diodos emisores de luz, LED. a) De emisión por su superficie. b) Diagrama de radiación de a). c) De estructura en cúpula. d) Tipo Burrus [16].

La estructura mostrada en la Figura 1.19c, se denomina LED en cúpula (Dome LED), debido la forma que adopta. En ella, sobre una región tipo p crece una semiesfera tipo n de GaAs. En este caso, debido a la forma de la superficie exterior, las pérdidas por reflexiones son menores que en el caso anterior por lo que la eficiencia del dispositivo es más alta. Las

24

dificultades para la fabricación de la cúpula, con las mejores propiedades posibles, hacen que esta configuración no sea actualmente usada.

La tercera estructura, Figura 1.19d, suele ser conocida como LED tipo Burrus. El otro nombre por el que suele ser conocido es el de LED de emisión de superficie, SLED (Surface Emitter LED). Su objetivo fundamental es servir como emisor para sistemas de comunicaciones ópticas. Emite luz en muchas direcciones, y ayuda a concentrar la luz emitida en un área muy pequeña. También se puede poner lentes en domo, sobre la superficie emisora, para dirigir la luz hacia un área menor. De hecho, sobre su superficie se une mediante una resina tipo epóxico, un trozo de fibra que viene incorporado al propio LED. La estructura ya no es una simple unión p-n, sino que está formada por una doble heterounión que configura una zona de emisión por superficie que es la que se une al tramo de fibra. El diagrama de radiación de este tipo de LED es isótropo con un ancho de haz a 3 dB de 120° en ambos planos perpendiculares al de la unión p-n [16, 23].

1.4.1.2 LED de emisión lateral

En el LED de emisión lateral la luz generada en la zona activa se emite en el plano de la unión p-n. Las capas que rodean a dicha zona están formadas por materiales de índice de refracción inferior, por lo que la zona activa se comporta como una guía de onda dieléctrica plana encaminando la luz generada hacia las superficies laterales del dispositivo, donde sale al exterior para inyectarse en una fibra óptica. La luz se emite de una banda activa y forma un haz elíptico. La estructura básica de un LED de emisión lateral se muestra en la Figura 1.20 y es en esencia muy similar a la de un láser de inyección [4, 23].

25

La longitud de la zona activa típica está comprendida entre 100 y 150 µm, mientras que el ancho de la zona activa no es la de todo el dispositivo (unos 300-350 µm) sino que viene controlada a través de una cinta metálica en la superficie por donde se inyecta la corriente al dispositivo y que posee unas dimensiones de 50-70 µm. Por el hecho de existir una guía de onda en el plano perpendicular al de la unión p-n el patrón de radiación no es isótropo, sino que su anchura a 3 dB es de unos 30° en dicho plano, siendo de 120° en el plano paralelo al de la unión [4].

1.4.1.3 LED superluminiscente

El LED superluminiscente es similar a un láser porque genera luz mediante emisión estimulada, pero al igual que un LED oscilador coherente. Los diodos LED superluminiscentes o SLDs proporcionan altos valores de potencia óptica de salida y un ancho de línea más reducido que el de los LEDs normales [4].

La señal óptica generada en el interior del SLD se amplifica debido a la emisión estimulada conforme se propaga a través de la zona activa y sale al exterior por la otra cara (la señal sólo se propaga una vez a través de la zona activa antes de salir). Este tipo de dispositivos es capaz de suministrar en segunda ventana potencias de 1 mW a una fibra monomodo al polarizarlos con una corriente de 150 mA, siendo su ancho de línea de unos 30 nm en comparación con los 80-100 nm de un LED normal.

1.4.2 Interferómetro Fabry-Perot

Un interferómetro es un instrumento que emplea la interferencia de las ondas de luz para medir con gran precisión longitudes de onda de la luz misma. En todas se utilizan dos haces de luz que recorren dos trayectorias ópticas distintas determinadas por un sistema de espejos y placas que finalmente convergen para formar un patrón de interferencia. Su versión más simplificada es la que aparece en la Figura 1.21 y consiste en un medio de caras planas y paralelas separadas una distancia d, con un índice de refracción n2 e inmerso en otro medio

infinito de índice de refracción n1. Si sobre dicho medio se hace incidir una radiación que

forme un ángulo θ1 con la normal a las caras, de acuerdo con los conceptos ya conocidos de

reflexión y refracción, se creará un conjunto de haces, tanto refractados como reflejados, que se muestran en la Figura 1.21. Este conjunto estará compuesto por un número infinito de haces que, por proceder todos ellos de un mismo haz de partida, podrán llegar a producir fenómenos de interferencia tanto en el espacio superior de la lámina como en el inferior [16].

Las características de radiación que se obtengan dependerán de las diferentes historias previas que hayan tenido los diferentes haces hasta el momento en el que se sumen. Esta historia se refleja, sobre todo, en la diferencia existente entre los caminos ópticos que cada haz haya seguido. De acuerdo con la notación empleada en la Figura 1.22, que es un detalle de la Figura 1.21, hasta el punto A de la Figura 1.22, momento en el que el haz inicial se bifurca en

26

otros dos, uno reflejado que sigue la trayectoria ABCD, y otro refractado que sigue la AE. Desde los puntos E y D, los caminos ópticos seguidos por los rayos 1 y 2 son iguales.

Figura 1.21 Esquema de las reflexiones existentes en un interferómetro de Fabry-Perot [16]

Figura 1.22 Detalle de la Figura 1.21 [16].

El campo total en cada una de las dos caras externas del resonador será la suma de los infinitos rayos resultantes de los procesos de reflexión y refracción.