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ESTRUCTURAS DE LOS LEDS
Como sabemos, un LED es un dispositivo de semiconductor, formado por una unión
pn polarizada en directo, que genera luz por emisión espontánea al recombinarse los
electrones y huecos inyectados en la zona de deplexión. Los LEDS son especialmente
adecuados para comunicaciones de corta distancia en primera ventana, velocidades no
superiores a los 100-200Mb/s y en trabajando con fibras multimodo. Desde hace
relativamente poco tiempo, existe un creciente interés en su empleo para
comunicaciones a altas velocidades (1Gb/s) junto con fibras monomodo en segunda
ventana, con vistas a una posible aplicación en el bucle de abonado. A continuación, se
resumen las características más sobresalientes de los LEDS.
Características típicas
Las principales ventajas de los LEDS son:
1) Poseen altos valores de eficiencia cuántica interna (50-80%).
2) Su geometría y patrón de radiación son aptos para el acoplo de luz a la fibra
óptica, especialmente en los LEDS de emisión lateral.
3) Son de fácil fabricación ya que a diferencia de los láseres no llevan
incorporados espejos.
4) Se modulan fácilmente hasta velocidades de 100-200Mb/s, si bien es posible
llegar en algunos casos hasta velocidades de 1-2Gb/s.
5) Su coste es bajo, sobre todo en comparación con los láseres de semiconductor,
ya que su estructura es más sencilla.
6) Son dispositivos fiables, ya que no sufren la degradación de tipo catastrófico y
son menos sensibles que los láseres de semiconductor a la degradación por
envejecimiento.
7) Su circuitería de alimentación control es muy sencilla, debido a los bajos
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niveles de corriente que son necesarios para que funcione el dispositivo, y a su
relativa inmunidad frente a variaciones de la temperatura, al no ser un
dispositivo basado en una corriente umbral como el láser de semiconductor.
8) Su característica potencia óptica de salida en función de la corriente eléctrica
de entrada es, a diferencia de la del láser de inyección, bastante lineal, lo que
les hace adecuados para la transmisión de señales analógicas.
El principal inconveniente del LED, como hemos visto, consiste en el escaso
porcentaje de potencia óptica generada en su interior para acoplarla a las fibras
monomodo. Por ello, el LED se emplea casi en exclusiva en enlaces de fibras
multimodo y en primera ventana a corta distancia y velocidades moderadas
(50.200Mb/s) limitados por la dispersión intermodal. A esto se añade que la anchura
espectral es muy superior a la de los láseres de semiconductor (30-40nm para los LEDS
de AsGa o AlAsGa en primera ventana) por lo que en caso de poder emplearse junto
con fibras monomodo pueden generar una dispersión cromática muy alta. Una
excepción al caso anterior la constituye el LEDs de InGaAsP para comunicaciones en
segunda ventana y con fibras monomodo. En este caso, y al la dispersión cromática
mínima, la limitación en longitud en este tipo de enlaces por dispersión cromática a
velocidades moderadas(50-200Mb/s) es inferior a la debida a la dispersión intermodal
en primera ventana, pudiéndose en consecuencia aumentar la distancia empleando una
fuente de bajo coste y velocidades de transmisión moderadas. Esta configuración es de
gran interés con vistas a la introducción de la fibra en el bucle de abonado, ya que evita
la necesidad de proporcionar un láser de semiconductor.
Estructuras
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 como ya vimos. En general, en
comunicaciones se emplean tres tipos de estructuras:
1.- LED de emisión superficial.
2.- LED de emisión lateral.
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3.- LED superluminiscente.
Los LEDS de emisión superficial se caracterizan porque la emisión de luz es
perpendicular al plano de la unión pn. La región activa suele tener forma circular (para
adaptarse a la geometría de la fibra multimodo) de unas 50mm de diámetro y unas
2,5mm de anchura. La figura 1 muestra la configuración de un LED de emisión
superficial tipo Burrus, que incluye un trozo de fibra convenientemente enfrentada a la
zona activa para optimizar el acoplo de potencia. La fibra está unida de forma
permanente al LED mediante una resina Epoxy.
Figura 1
El diagrama de radiación de este tipo de LED es isótropo con una anchura de
haz de 3dB a 120° en ambos planos perpendiculares al de la unión pn. En consecuencia,
puede, una fuente de tipo Lambertiano de manera que la potencia acoplada a una fibra
óptica de apertura numérica, AN, es proporcional a AN2.
En el LED de emisión lateral la luz generada en la zona activa se emite en el
plano de la unión pn. La capas que rodean a dicha zona están formadas por materiales
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de índice de refracción inferior, por lo que la zona activa se comporta como una guia de
onda plana dieléctrica encaminando la radiación generada en su interior hacia las
superficies laterales del dispotivo, donde sale al exterior para inyectarse en una fibra
óptica. La estructura básica de un LED de emisión lateral se muestra en la figura 2 y es
en esencia muy similar a la de un láser de inyección.
Figura 2
La longitud de la zona activa típica está comprendida entre 100 y 150�m,
mientras que la anchura de la zona activa no es la de todo el dispositivo (unos 300-
400mm) 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 50-70mm.
Por el hecho de existir una guía plana de ondas en el plano perpendicular al de la unión
pn, el patrón de radiación no es isótropo, sino que la anchura a 3dB es de unos 30° en
dicho plano, siendo 120° en el plano paralelo al de la unión. LED de emisión lateral
proporciona menos potencia al exterior (unas 2 ó 3 veces menos) que el de superficie,
ya que presenta problemas de reabsorción de la radiación generada así como de
recombinación superficial. Sin embargo, el LED de emisión lateral acopla más potencia
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óptica a fibras de apertura numérica baja (AN<0,3) que el de emisión superficial debido
a la mayor direccionalidad de su patrón de radiación. Además, la configuración del
electrodo superior en forma de cinta metálica reduce la superficie de inyección de
corriente al dispositivo, con lo que puede conseguirse aumentar la densidad de corriente
superficial inyecyada al LED manteniendo la corriente. Los LED de emisión lateral son
capaces de inyectar potencias ópticas cercanas al miliwatio en fibras multimodo con
corrientes de polarización de 0,5A, además de ser capaces de soportar velocidades de
modulación superiores a los LEDS de emisión superficial a igualdad de corriente de
polarización (hasta varios cientos de MHz). Recientemente, tal y como se comentó, se
ha comenzado a considerar la aplicación de LEDS a sistemas monomodo de segunda
ventana para su aplicación al bucle de abonado. En la figura 3 se muestra un LED de
emisión lateral de InGaAsP donde la superficie de emisión posterior está cortada de
forma inclinada para prevenir la realimentación de señal a la zona activa y su
comportamiento como láser. Un dispositivo de estas características puede modularse a
velocidades entre 600MHz y 1GHz proporcionando una potencia de unos 4-6μW a una
fibra monomodo al aplicarle corrientes de polarización de entre 100-240mA.
Figura 3
El último tipo de LED que vamos a ver es el electroluminiscente. Posse unas
propiedades intermedias entre el LED normal y el láser de inyección. Es similar a un
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láser porque genera luz mediante emisión estimulada, pero similar a un LED porque no
posee realimentación en la zona activa, por tanto se comporta como un oscilador no
coherente. Los LEDS superluminiscentes proporcionan altos valores de potencia óptica
de salida y ancho de banda más reducido que el LED normal. En la figura 4 se muestra
la configuración típica de un LED electroluminiscente (SLD) que, como
comprobaremos, es muy similar a un láser de semiconductor.
Figura 4
La diferencia entre el SLD y el láser de semiconductor estriba en que en una de
las caras de salida del SLD se provocan pérdidas lo suficientemente elevadas como para
que no exista señal reflejada que realimente la cavidad. 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
sola vez antes de salir al exterior) Este tipo de dispositivos es capaz de suministrar, en
segunda ventana, potencias del orden de los miliwatios a una fibra monomodo al
polarizar con corrientes de 150mA. La anchura espectral es de aproximadamente 30nm,
muy estrecha si lo comparamos con los 50-80nm de los LEDS normales.
Lo inconvenientes de los SLDS en relación con los LEDS normales es que son
muchos más complejos en cuanto a su estructura, la relación entre la potencia óptica de
salida y la corriente de alimentación no es lineal y hay mucha dependencia de la
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potencia óptica de salida con la temperatura.
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