FUENTES ÓPTICAS – PRESENTACIÓN Y ESTUDIO DE LOS DIODOS ELECTROLUMINISCENTES LED’S - (PARTE II)
Como es sabido, estos diodos se componen por materiales semiconductores, por tanto los electrones se “acomodan” en las bandas de valencia y banda de conducción; lo que da vida a toda esta complejidad de la radiación fotónica, son las transiciones entre niveles de las poblaciones de electrones (que fueron explicadas en la parte I) más estrictamente hablando , los electrones realizan recombinaciones con los huecos vacantes en dichos niveles , producto de este proceso existen dos consecuencias: efectos radiativos en los cuales son liberados los fotones y los no radiativos donde se libera calor. La emisión de fotones que predomina en los LEDs es la emisión espontánea, por tanto las fases de estos campos electromagnéticos son indefinidas, esto a su vez significa que parte de la energía liberada se pierde pues no lograra confinarse en el material de la fibra.
Un LED es una unión P-N polarizada en tensión directa cuyos valores de eficiencia cuántica interna son sumamente elevados, entre un 50 y un 80% y a diferencia de su “hermano” el Diodo Laser (el cual desarrollaremos en otro artículo) son de fácil fabricación, aun así, resulta un portador bastante efectivo pese a su simplicidad; cabe destacar que con la implementación de las fuentes LED pueden ser logradas velocidades de hasta 200 Mbps.
Ahora bien, se procede ha detallar lo concerniente a las estructuras o formas que se tienen para acoplar un LED con la geometría de la fibra, estos arreglos son los que garantizaran el confinamiento adecuado de la luz en el cableado:
Estructura de Tipo Superficial
También conocidos como LED`s Burrus, consisten en una implementación en la que la luz es acoplada superficialmente; para que la fuente y la fibra puedan interactuar correctamente, se realiza una pequeña “sutura” en la heteroestructura del semiconductor, de forma que la fibra se pueda cercar lo más posible en la zona activa de recombinación de los electrones y huecos , todo esto con la finalidad de poder confinar la mayor parte de la luz emitida. Para unir el material semiconductor con la fibra se aplica epoxy. ver Figura N°1.
En estos tipos de arreglos, el acople de la luz es directamente proporcional al cuadrado de la apertura numérica de la fibra, lo que nos indica que en una situación laboral de campo, debemos inclinarnos a escoger fibras con aperturas elevadas pues experimentaran un mejor funcionamiento.
Estructura de LED emisión Lateral
Si bien es cierto que toda la acción se encuentra en la zona activa de la unión P-N, la luz, al momento de su extracción y acople en la fibra, no es posible canalizar toda esa potencia generada. En efecto, la potencia que se genera en la unión P-N es representada a partir de la concentración de electrones inyectados , al dividir la corriente eléctrica empleada en la polarización de la unión por la carga de un electrón se podrán obtener los electrones inyectados por unidad de tiempo, luego si se multiplica por la eficiencia cuántica interna de la fuente se tendrán las recombinaciones radiativas , y finalmente al realizar el producto por la energía de un fotón , se conseguirá la energía total generada por unidad de tiempo ,o lo que es lo mismo , la potencia total generada en la unión P-N.
Pi: potencia total; ni: eficiencia cuántica interna.
Dada esta expresión se necesita un escalar o valor que nos aproxime esa potencia total a una potencia efectiva, por lo cual se establece el producto con una nueva eficiencia cuántica, esta vez es una eficiencia de tipo externa, es decir, esta será la proporción de la luz que va al exterior y es acoplada por la fibra:
Como se sabrá, el material semiconductor tiene un índice de refracción y cuando se intenta precisar que luz sale al exterior y que parte de esa misma luz es confinada, habrá que analizar las magnitudes de los ángulos incidentes, por ejemplo : la luz que incide sobre la interfaz del material con el aire o con la fibra con ángulos inferiores al ángulo critico saldrá al exterior , por el contrario la luz que incide con ángulos superiores al ángulo critico se reflejara totalmente en el material semiconductor y no se podrá extraer a la fibra óptica.
Para calcular entonces la eficiencia cuántica externa, por una parte se procede a determinar la potencia generada del ángulo completo solido de la zona activa y por otro lado se cuantifica la potencia generada en el ángulo de revolución correspondiente al ángulo crítico solido Ωc:
Para resolver la parte superior de esta expresión aplicaremos la función de transmisión en la interface semiconductor aire y realizaremos la integral respecto al ángulo sólido. Para sustituir el coeficiente de transmisión correspondiente de potencia de fresnel vamos a suponer que la incidencia será con ángulos pequeños y por tanto el coeficiente de transmisión al ángulo θ se supondrá igual a una incidencia totalmente transversal o ángulo 0:
Tf(θ) representa el coeficiente de transmisión y para calcularlo utilizaremos la fórmula de fresnel que a su vez nos da esta transmisión de potencia en función del índice del material semiconductor n y el índice del material externo:
Sustituyendo en la integral , se obtiene que la eficiencia cuántica externa es una funcion dependiente de los índices de refracción , tanto del material n como el material externo:
Y con esta expresión resultante se tendrá la eficiencia cuántica externa.
Siguiendo con el estudio de los LEDs, otro aspecto muy importante que hay que analizar , es la curva Pi , la cual es la dependencia de la potencia de salida de un LED en función de la corriente de alimentación aplicada a la unión p-n ; si se analiza una gráfica para varias temperaturas veremos que conforme aumenta la temperatura , la pendiente disminuye ligeramente , para corrientes bajas de alimentación se obtendrá un comportamiento aproximadamente lineal y que a medida que aumente la corriente de alimentación se comportara de forma no lineal .
Para caracterizar esta la curva, se empleara la eficiencia cuántica total y la responsividad R, en concreto la responsividad será la pendiente entre la potencia de salida y la corriente aplicada qué podemos expresar en función de la eficiencia cuántica externa y de la eficiencia cuántica interna además de la energía de un fotón:
Espectro y modulación de un LED
Finalmente en este apartado estudiaremos las claves de la implementación de los leds , como se dijo en las disposiciones iniciales de este texto , el espectro juega un papel importante , además la modulación resulta bastante sencilla y económica.
La característica fundamental del led es el espectro emitido, para calcularlo debemos determinar la tasa de emisión espontánea de la Fuente Óptica, está se obtiene en función de la pulsación o energía del fotón, entonces habrá que realizar este cálculo para las distintas energías del fotón y de esa forma se conocerá la potencia emitida por un led a las distintas frecuencias o energía de los fotones.
Para simplificar las cosas, se presentan las expresiones que rigen los análisis anteriores, en donde claramente se muestra la energía del fotón, la energia del gap (diferencia de niveles de energía) y la temperatura
Con esta ecuación se puede calcular el ancho espectral en frecuencia y casualmente, esta depende exclusivamente de la temperatura:
Representandolo en gráficas, se observa que el aumento de la temperatura supone un incremento en la anchura espectral:
Figura N°5 Potencia vs Longitud de Onda – Dra.Ortega (2012)
Estas son gráficas de 1era y 2da ventana, como es lógico, la 2da ventana presentan mayor anchura.
Figura N°6 Diagrama de Modulación de un LED – Dra.Ortega (2012)Habiendo analizado todo lo anterior, se plantea la interrogante ¿Cómo se comporta un diodo LED en la modulación?
Ver figura N°6.
Se puede apreciar la corriente que se coloca a la fuente, esta debe presentar cierta modulación donde ωm es la frecuencia de la señal moduladora e Im es su amplitud. El led en su unión P-N es polarizado con esta corriente directa , cuya emisión dará potencia óptica a la frecuencia de la portadora con un forma de onda envolvente que llevara los datos que se desean transmitir de forma que la potencia óptica transmitida presenta la misma dependencia o variación temporal , pero… ¿Qué cantidad de ancho de banda se requiere para que un LED sea modulado ?, se parte por deducir cual es la magnitud en frecuencia tolerada para obtener respuestas aceptables y para ello se recurre a la ecuación de emisión de un LED :
En esta ecuación se plantea la variación temporal de la concentración de electrones inyectados en la zona de recombinación, el termino tc es el tiempo de vida de un portador y es ese tiempo medio que espera un portador para recombinarse radiativamente o no por emisión espontánea. Resolviendo la ecuación diferencial se conocerá la concentración de electrones en la cavidad y a partir de ella se calcula la potencia emitida por el LED:
Dada una señal moduladora , se puede resolver la ecuación de emisión en función de dicha señal.
Para calcular su función de transferencia se estudian las dependencias de ωm y con la concentración de electrones cuando la frecuencia es 0.
Esta funcion indicara la potencia modulada a una frecuencia ωm , de esta manera se podrá conocer la respuesta del sistema a distintas frecuencias de modulación.
Habitualmente el tiempo de vida de un portador es de 1 a 5 nano segundos , por lo que un ancho de banda típico de un led no rebasa los 200MHz y este será precisamente el ancho de banda empleado en su modulación .
Espero este contenido les sea de interés, resulta un poco enrevesado ciertos aspectos pero así funcionan las telecomunicaciones en general, sin mas que agregar nos veremos en una próxima oportunidad.
Es interesante la forma en que se producen las luces LED, su publicación es muy informativa.
Así es, la emisión espontánea es bastante curiosa , gracias por la apreciación
Hola @vjap55. Revisé este post y el anterior tratando de entender y asimilar bien la informaciones. Definitivamente necesito comenzar desde una base más sencilla y subir poco a poco para una comprensión más completa. Lo que si se observa es una calificada información sobre el tema. Saludos.