TOPICOS DE FÍSICA DE SEMICONDUCTORES.doc

8/11/2019 TOPICOS DE FSICA DE SEMICONDUCTORES.doc

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TOPICOS DE FSICA DE SEMICONDUCTORES: BANDAS DEENERGA

El objetivo principal de la teora de las Bandas es el de encontrar unmodelo analtico o matemtico, que describa cuantitativamente el

comportamiento de una partcula cargada en el cristal, como si seestructurara del que tiene una partcula libre como una peculiar masadenominada masa efectiva.

Cuando el electrn pasa cerca de un tomo es acelerado y cuando sealeja es desacelerado, hasta que entra dentro del campo elctrico delsiguiente tomo. Este proceso se repite tomo tras tomo, por lo que elcampo de energa potencial del cristal ideal es peridico.

!e sabe por la mecnica cuntica que la e"presin que proporciona los

niveles de energa discretos de un electrn en un po#o unidimensional ysimtrico es$

%onde n& ', (, )*

Considerando analticamente el comportamiento del electrn en redesperidicas +edes de Bravais- mediante un modelo basado en un

potencial peridica de forma cuadrada en un cristal unidimensional dedimensiones innitas se describe el potencial peridico de formacuadrada.

/ara algunos valores de energa E, el primer miembro resulta mayor quela unidad por lo que el electrn no puede tener estas energas. Esta es lae"plicacin de que apare#can bandas de energa prohibida.

MATERIALES INTRNSECOS Y EXTRNSECOSSEMICONDUCTORES INTRNSECOSEs un cristal de silicio o germanio que forma una estructura tetradricasimilar a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus tomos,en la gura representados en el plano por simplicidad. Cuando el cristalse encuentra a temperatura ambiente algunos electrones pueden


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absorber la energa necesaria para saltar a la banda de conduccindejando el correspondiente hueco en la banda de valencia +'-. 0asenergas requeridas, a temperatura ambiente, son de ','( ev y 1,23 evpara el silicio y el germanio respectivamente.

4bviamente el proceso inverso tambin se produce, de modo que loselectrones pueden caer, desde el estado energtico correspondiente a labanda de conduccin, a un hueco en la banda de valencia liberandoenerga. 5 este fenmeno se le denomina recombinacin. !ucede que, auna determinada temperatura, las velocidades de creacin de pares e6h,y de recombinacin se igualan, de modo que la concentracin global deelectrones y huecos permanece constante. !iendo 7n7 la concentracinde electrones +cargas negativas- y 7p7 la concentracin de huecos+cargas positivas-, se cumple que$

8i & n & p

!iendo ni la concentracin intrnseca del semiconductor, funcine"clusiva de la temperatura y del tipo de elemento.

Ejemplos de valores de ni a temperatura ambiente +(3 9c-$

8i +!i- & '.: '1'1cm6)

8i +;e- & '.3) '1')cm6)

0os electrones y los huecos reciben el nombre de portadores. En lossemiconductores, ambos tipos de portadores contribuyen al paso de lacorriente elctrica. !i se somete el cristal a una diferencia de potencialse producen dos corrientes elctricas. /or un lado la debida almovimiento de los electrones libres de la banda de conduccin, y porotro, la debida al despla#amiento de los electrones en la banda devalencia, que tendern a saltar a los huecos pr"imos +(-, originandouna corriente de huecos con < capas ideales y en la direccin contrariaal campo elctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de labanda de conduccin.

SEMICONDUCTORES EXTRNSECOS!i a un semiconductor intrnseco, como el anterior, se le a=ade unpeque=o porcentaje de impure#as, es decir, elementos trivalentes opentavalentes, el semiconductor se denomina e"trnseco, y se dice que


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est dopado. Evidentemente, las impure#as debern formar parte de laestructura cristalina sustituyendo al correspondiente tomo de silicio.>oy en da se han logrado a=adir impure#as de una parte por cada '1millones, logrando con ello una modicacin del material.

SEMICONDUCTOR TIPO N?n !emiconductor tipo 8 se obtiene llevando a cabo un proceso dedopado a=adiendo un cierto tipo de tomos al semiconductor para poderaumentar el n@mero de portadores de carga libres +en este casonegativos o electrones-.

Cuando se a=ade el material dopante, aporta sus electrones msdbilmente vinculados a los tomos del semiconductor. Este tipo de

agente dopante es tambin conocido como material donante, ya que daalgunos de sus electrones.

El propsito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electronesportadores en el material. /ara ayudar a entender cmo se produce eldopaje tipo n considrese el caso del silicio +!i-. 0os tomos del siliciotienen una valencia atmica de cuatro, por lo que se forma un enlacecovalente con cada uno de los tomos de silicio adyacentes. !i un tomocon cinco electrones de valencia, tales como los del grupo ': de la tablaperidica +ej. Asforo +/-, arsnico +5s- o antimonio +!b--, se incorpora a

la red cristalina en el lugar de un tomo de silicio, entonces ese tomotendr cuatro enlaces covalentes y un electrn no enla#ado. Esteelectrn e"tra da como resultado la formacin de 7electrones libres7, eln@mero de electrones en el material supera ampliamente el n@mero dehuecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y loshuecos son los portadores minoritarios. 5 causa de que los tomos concinco electrones de valencia tienen un electrn e"tra que 7dar7, sonllamados tomos donadores. 8tese que cada electrn libre en elsemiconductor nunca est lejos de un ion dopante positivo inmvil, y elmaterial dopado tipo 8 generalmente tiene una carga elctrica neta nal

de cero.

SEMICONDUCTOR TIPO P?n !emiconductor tipo / se obtiene llevando a cabo un proceso dedopado, a=adiendo un cierto tipo de tomos al semiconductor para


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poder aumentar el n@mero de portadores de carga libres +en este casopositivos o huecos-.

Cuando se a=ade el material dopante libera los electrones msdbilmente vinculados de los tomos del semiconductor. Este agente

dopante es tambin conocido como material aceptor y los tomos delsemiconductor que han perdido un electrn son conocidos como huecos.

El propsito del dopaje tipo / es el de crear abundancia de huecos. En elcaso del silicio, un tomo tetravalente +tpicamente del grupo '< de latabla peridica- se le une un tomo con tres electrones de valencia,tales como los del grupo ') de la tabla peridica +ej. 5l, ;a, B, n-, y seincorpora a la red cristalina en el lugar de un tomo de silicio, entoncesese tomo tendr tres enlaces covalentes y un hueco producido que seencontrar en condicin de aceptar un electrn libre.

5s los dopantes crean los 7huecos7. 8o obstante, cuando cada hueco seha despla#ado por la red, un protn del tomo situado en la posicin delhueco se ve 7e"puesto7 y en breve se ve equilibrado como una ciertacarga positiva. Cuando un n@mero suciente de aceptores son a=adidos,los huecos superan ampliamente la e"citacin trmica de los electrones.5s, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que loselectrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo /. 0osdiamantes a#ules +tipo iib-, que contienen impure#as de boro +B-, son unejemplo de un semiconductor tipo / que se produce de manera natural.

UNION P-N

!e denomina unin /8 a la estructura fundamental de los componenteselectrnicos com@nmente denominados semiconductores,principalmente diodos y transistores BD. Est formada por la uninmetal@rgica de dos cristales, generalmente de !ilicio +!i-, aunquetambin se fabrican de ;ermanio +;e-, de naturale#as / y 8 seg@n sucomposicin a nivel atmico. Estos tipos de cristal se obtienen al doparcristales de metal puro intencionadamente con impure#as, normalmentecon alg@n otro metal o compuesto qumico.

/4055CF8 %ECD5 %E 05 ?8F8 / G 8


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/olari#acin directa del diodo p6n.

En este caso, la bateradisminuye la barrera de potencialde la #ona decarga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones atravs de la uninH es decir, el diodo polari#ado directamente conduce laelectricidad.

!e produce cuando se conecta el polo positivo de la pila a la parte / dela unin / 6 8 y la negativa a la 8. En estas condiciones podemosobservar que$

El polo negativode la batera repele los electrones libres del cristaln, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unin p6n.

El polo positivode la batera atrae a los electrones de valencia delcristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia launin p6n.

Cuando la diferencia de potencialentre los bornes de la batera esmayor que la diferencia de potencial en la #ona de carga espacial, loselectrones libres del cristal n, adquieren la energa suciente parasaltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se handespla#ado hacia la unin p6n.

?na ve# que un electrn librede la #ona n salta a la #ona patravesando la #ona de carga espacial, cae en uno de los m@ltipleshuecos de la #ona p convirtindose en electrn de valencia. ?na ve#

ocurrido esto el electrn es atrado por el polo positivo de la batera yse despla#a de tomo en tomo hasta llegar al nal del cristal p,desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta labatera.
http://es.wikipedia.org/wiki/Bater%C3%ADa_(electricidad)http://es.wikipedia.org/wiki/Barrera_de_potencialhttp://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1todohttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81nodohttp://es.wikipedia.org/wiki/Potencial_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Electr%C3%B3n_libre&action=edit&redlink=1http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diodo_pn-_Polarizaci%C3%B3n_directa.PNGhttp://es.wikipedia.org/wiki/Barrera_de_potencialhttp://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1todohttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81nodohttp://es.wikipedia.org/wiki/Potencial_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Electr%C3%B3n_libre&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Bater%C3%ADa_(electricidad)


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%e este modo, con la batera cediendo electrones libres a la #ona n yatrayendo electrones de valencia de la #ona p, aparece a travs deldiodo una corriente elctrica constante hasta el nal.

/4055CF8 8IE!5 %E 05 ?8F8 / 6 8

/olari#acin inversa del diodo pn.

En este caso, el polo negativo de la batera se conecta a la #ona p y elpolo positivo a la #ona n, lo que hace aumentar la #ona de cargaespacial, y la tensin en dicha #ona hasta que se alcan#a el valor de latensin de la batera, tal y como se e"plica a continuacin$

El polo positivo de la batera atrae a los electrones libres de la

#ona n, los cuales salen del cristal n y se introducen en el conductordentro del cual se despla#an hasta llegar a la batera. 5 medida quelos electrones libres abandonan la #ona n, los tomos pentavalentesque antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrn en elorbital de conduccin, adquieren estabilidad$ J electrones en la capade valencia, y una carga elctrica neta de K', con lo que seconvierten en iones positivos.

El polo negativo de la batera cede electrones libres a los tomostrivalentes de la #ona p. ecordemos que estos tomos slo tienen )

electrones de valencia, con lo que una ve# que han formado losenlaces covalentes con los tomos de silicio, tienen solamente 3electrones de valencia, siendo el electrn que falta eldenominado hueco. El caso es que cuando los electrones librescedidos por la batera entran en la #ona p, caen dentro de estoshuecos con lo que los tomos trivalentes adquieren estabilidad +J
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diodo_pn-_Polarizaci%C3%B3n_inversa.png


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electrones en su orbital de valencia- y una carga elctrica neta de 6',convirtindose as en iones negativos.

Este proceso se repite una y otra ve# hasta que la #ona de cargaespacial adquiere el mismo potencial elctricoque la batera.

En esta situacin, el diodo no debera conducir la corrienteH sin embargo,debido al efecto de la temperatura se formarn pares electrn6hueco aambos lados de la unin produciendo una peque=a corriente +del ordende ' a- denominada corriente inversa de saturacin. 5dems, e"istetambin una denominada corriente supercial de fugas la cual, como supropio nombre indica, conduce una peque=a corriente por la superciedel diodoH ya que en la supercie, los tomos de silicio no estnrodeados de sucientes tomos para reali#ar los cuatro enlacescovalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los

tomos de la supercie del diodo, tanto de la #ona n como de la p,tengan huecos en su orbital de valencia con lo que los electronescirculan sin dicultad a travs de ellos. 8o obstante, al igual que lacorriente inversa de saturacin, la corriente supercial de fugas esdespreciable.

DIODOS EMISORES DE LUZ LED

El 0E% +0ight6Emitting%iode$ %iodo Emisor de 0u#-, es un dispositivosemiconductor que emite lu# incoherente de espectro reducido cuandose polari#a de forma directa la unin /8 en la cual circula por l unacorriente elctrica . Este fenmeno es una forma deelectroluminiscencia, el 0E% es un tipo especial de diodo que trabajacomo un diodo com@n, pero que al ser atravesado por la corrienteelctrica, emite lu#. Este dispositivo semiconductor est com@nmenteencapsulado en una cubierta de plstico de mayor resistencia que las devidrio que usualmente se emplean en las lmparas incandescentes.5unque el plstico puede estar coloreado, es slo por ra#ones estticas,

ya que ello no inLuye en el color de la lu# emitida. ?sualmente un 0E%es una fuente de lu# compuesta con diferentes partes, ra#n por la cualel patrn de intensidad de la lu# emitida puede ser bastante complejo.

/ara obtener una buena intensidad luminosa debe escogerse bien lacorriente que atraviesa el 0E% y evitar que este se pueda da=arH paraello, hay que tener en cuenta que el voltaje de operacin va desde ',Jhasta ),J voltios apro"imadamente +lo que est relacionado con el
http://es.wikipedia.org/wiki/Potencial_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Amperiohttp://es.wikipedia.org/wiki/Potencial_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Amperio


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material de fabricacin y el color de la lu# que emite- y la gama deintensidades que debe circular por l vara seg@n su aplicacin. 0osIalores tpicos de corriente directa de polari#acin de un 0E% estncomprendidos entre los '1 y (1 miliamperios +m5- en los diodos de colorrojo y de entre los (1 y


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'.6 E"tremo superior abovedado de la cpsula de resina epo"i, que hacetambin funcin de lente conve"a. 0a e"istencia de esta lente permiteconcentrar el ha# de lu# que emite el chip y proyectarlo en una soladireccin.

(.6 Cpsula de resina epo"i protectora del chip.

).6 Chip o diodo semiconductor emisor de lu#.


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3.6 5lambre terminal positivo +K- correspondiente al nodo del chip deldiodo, que se utili#a para conectarlo al circuito e"terno.

J.6 5lambre muy delgado de oro, conectado internamente con elterminal positivo +K- y con el nodo del chip.

Estructura interna del chip de un diodo 0E%. En esta ilustracin el chip secompone de nitruro de galio +;a8- como elemento semiconductor. 5qula corriente de electrones MN que parte del polo negativo +G- de labatera MBN, penetra en el diodo 0E% por el ctodo +negativo-,correspondiente a la regin M8N. Cuando a este chip se le aplica unvoltaje adecuado que lo polarice de forma directa, los electrones

adquieren la energa e"tra necesaria que les permite circular y atravesarlas dos regiones que lo componen. %esde el mismo momento que labatera MBN suministra a los electrones la energa suciente para vencerla oposicin que les ofrece a su paso la barrera de potencial que se creaen el punto de unin o juntura que limita las dos regiones del diodo,estos pueden pasar a ocupar los huecos e"istentes en la regin M/N+positiva-. 5cto seguido los electrones contin@an su recorrido por esaotra parte del diodo, circulan por el circuito e"terno, atraviesan laresistencia limitadora de corriente MN y alcan#an, nalmente, el polopositivo +K- de la batera o fuente de energa de corriente directa,

completando as su recorrido por todo el circuito. ?na ve# que loselectrones comien#an a circular por el interior del diodo, en el mismomomento que cada uno de ellos atraviesa la barrera de potencial y seune a un hueco en la regin M/N, el e"ceso de energa e"tra previamenteadquirida procedente de la batera la libera en forma de fotn de lu#. Enel caso del diodo 0E% de este ejemplo, la lu# emitida ser ultravioleta+?I-, invisible al ojo humano, por ser nitruro de galio +;a8- el


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componente qumico del material semiconductor que compone estechip.

El chip de un diodo 0E% com@n no se considera una MlmparaNpropiamente dicho como ocurre con otras fuentes de iluminacin o

bombillas ms tradicionales. /ara que sea considerado como tal, ademsdel chip emisor de lu# en s, tiene que contener tambin otros elementosadicionales, como son$ un controlador electrnico o driver, un disipadorde calor y componentes pticos apropiados, tal como poseen lasMlmparas 0E%N de alta potencia luminosa utili#adas para su uso enalumbrado general.

MATERIALES PARA FUENTES DE LUZ

En corriente continua +CC-, todos los diodos emiten cierta cantidad deradiacin cuando los pares electrn6hueco se recombinanH es decir,cuando los electrones caen desde la banda de conduccin +de mayorenerga- a la banda de valencia +de menor energa- emitiendo fotones enel proceso. ndudablemente, por ende, su color depender de la alturade la banda prohibida +diferencias de energa entre las bandas deconduccin y valencia-, es decir, de los materiales empleados. 0osdiodos convencionales, de silicio o germanio, emiten radiacin infrarrojamuy alejada del espectro visible. !in embargo, con materiales especialespueden conseguirse longitudes de onda visibles. 0os leds e E% +diodosinfrarrojos-, adems, tienen geometras especiales para evitar que laradiacin emitida sea reabsorbida por el material circundante del propiodiodo, lo que sucede en los convencionales.

Compuestos empleados en la construccin de leds


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0os primeros leds construidos fueron los diodos infrarrojos y de colorrojo, permitiendo el desarrollo tecnolgico posterior la construccin dediodos para longitudes de onda cada ve# menores. En particular, losdiodos a#ules fueron desarrollados a nales de los a=os noventa por!huji8aOamura, a=adindose a los rojos y verdes desarrollados conanterioridad, lo que permiti Ppor combinacin de los mismosP laobtencin de lu# blanca. El diodo de seleniuro de cinc puede emitirtambin lu# blanca si se me#cla la lu# a#ul que emite con la roja y verde

creada por fotoluminiscencia. 0a ms reciente innovacin en el mbitode la tecnologa led son los leds ultravioleta, que se han empleado con"ito en la produccin de lu# negra para iluminar materialesLuorescentes. Danto los leds a#ules como los ultravioletas son carosrespecto a los ms comunes +rojo, verde, amarillo e infrarrojo-, siendopor ello menos empleados en las aplicaciones comerciales.

0os leds comerciales tpicos estn dise=ados para potencias del orden delos )1 a 21 mQ. En torno a 'RRR se introdujeron en el mercado diodoscapaces de trabajar con potencias de ' vatio para uso continuoH estosdiodos tienen matrices semiconductoras de dimensiones mucho

mayores para poder soportar tales potencias e incorporan aletasmetlicas para disipar el calor +vase conveccin- generado por elefecto oule.

>oy en da se estn desarrollando y empe#ando a comerciali#ar leds conprestaciones muy superiores a las de hace unos a=os y con un futuroprometedor en diversos campos, incluso en aplicaciones generales de


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iluminacin. Como ejemplo, se puede destacar que 8ichiaCorporation hadesarrollado leds de lu# blanca con una eciencia luminosa de ':1 lmSQutili#ando para ello una corriente de polari#acin directa de (1miliamperios +m5-. Esta eciencia, comparada con otras fuentes de lu#solamente en trminos de rendimiento, es apro"imadamente ',3 veces

superior a la de la lmpara Luorescente con prestaciones de color altas+R1 lmSQ- y apro"imadamente '',: veces la de una lmparaincandescente +') lmSQ-. !u eciencia es incluso ms alta que la de lalmpara de vapor de sodio de alta presin +')( lmSQ-, que estconsiderada como una de las fuentes de lu# ms ecientes.

EFICIENCIA CUNTICA Y POTENCIA DE LOS LEDS

0a eciencia cuntica interna de un 0E% se dene como la fraccin depares electrn6hueco que se recombinan emitiendo radiacin ptica.Tsta se calcula mediante la e"presin$

%ondeRry Rnrson respectivamente las ra#ones de recombinacin

radiativas y no6radiativas. Esto puede e"presarse en funcin del tiempototal de recombinacin y el tiempo de recombinacin radiativa de laforma$

%onde el tiempo total de recombinacin es$

0a potencia interna generada en el 0E% en funcin de la corrienteinyectada al dispositivo +I- est dada por$


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%onde q es la carga del electrn y es la longitud de emisin pico.

0a eciencia e"terna se calcula considerando que no todos los fotonesgenerados saldrn del dispositivo. /ara esto se consideran los efectos dereLe"in en la supercie del 0E% +interfase-. Esto se simplicaconsiderando @nicamente los fotones con ngulo de incidencia normal ala interfase con lo que se utili#a el valor del coeciente detransmisividad de Aresnel. Considerando que el medio e"terno es aire+n=1-, la eciencia e"terna est dada por$

%onden es el ndice de refraccin del material semiconductor. %e aqu, lapotencia de emisin del 0E% puede obtenerse mediante$

0a sensibilidad o responsividad +responsivity- de un 0E% es la ra#n de

poder emitido +P- a corriente inyectada +I-. ;eneralmente se e"presa enunidades de W/A, y cuando la longitud de onda se e"presa enmicrometrospuede calcularse como$

0a potencia de salida es proporcional a la corriente inyectada en unintervalo limitado por la saturacin del dispositivo. El ancho espectral dela emisin +en m- puede calcularse como$

%ondekBT est dado en eV y la longitud de onda en m+'.(


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0a modulacin ptica puede ser directa, donde la fuente de lu# esmodulada directamente por una inyeccin de corriente electrnica,proveniente del circuito MdriverN, o ella puede ser una modulacine"terna, donde la lu# es primero generada por la fuente ptica ydespus a travs de un modulador e"terno es modulada. En este caso es

posible, pero no usual, modular, adems de la amplitud, la fase, lafrecuencia o la polari#acin de la se=al ptica. 0a ventaja de lamodulacin e"terna es la posibilidad de minimi#ar el efecto de lo MchirpNde la se=al ptica, caractersticos das se=ales pticas moduladasdirectamente. !in embargo, la mayora de los sistemas de comunicacinpor bras pticas comerciali#ados actualmente utili#a la modulacindirecta, debido a su simplicidad y bajo costo. Estos sistemas sonllamados de sistemas del tipo U o sea, la potencia ptica emitida por lafuente de lu# +intensidad ptica- es modulada por la corriente

electrnica inyectada en la fuente ptica.

MODULACIN CON LED

0a modulacin ptica puede ser directa, donde la fuente de lu# esmodulada directamente por una inyeccin de corriente electrnica,proveniente del circuito MdriverN, o ella puede ser una modulacine"terna, donde la lu# es primero generada por la fuente ptica ydespus a travs de un modulador e"terno es modulada. En este caso es


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posible, pero no usual, modular, adems de la amplitud, la fase, lafrecuencia o la polari#acin de la se=al ptica. 0a ventaja de lamodulacin e"terna es la posibilidad de minimi#ar el efecto de lo MchirpNde la se=al ptica, caractersticos das se=ales pticas moduladasdirectamente. !in embargo, la mayora de los sistemas de comunicacin

por bras pticas comerciali#ados actualmente utili#a la modulacindirecta, debido a su simplicidad y bajo costo. Estos sistemas sonllamados de sistemas del tipo U o sea, la potencia ptica emitida por lafuente de lu# +intensidad ptica- es modulada por la corrienteelectrnica inyectada en la fuente ptica.

CIRCUITO DE MODULACION LED

Esta aplicacin de amp6op es un amplicador sumador donde la se=al deentrada tiene una ganancia de 6', y el suministro de '(I se amplicapor 6)S3 para proporcionar voltaje suciente para encender el 0E% yllevarlo a su rango lineal. El cambio en la salida de lu# es entoncesproporcional al voltaje de la se=al.


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DIODO LSER

0os %iodos lser, emiten lu# por el principio de emisin estimulada, la

cual surge cuando un fotn induce a un electrn que se encuentra en unestado e"citado a pasar al estado de reposo, este proceso estacompa=ado con la emisin de un fotn, con la misma frecuencia y fasedel fotn estimulante. /ara que el numero de fotones estimulados seamayor que el de los emitidos de forma espontnea, para que secompensen las perdidas, y para que se incremente la pure#a espectral,es necesario por un lado tener una fuerte inversin de portadores, la quese logra con una polari#acin directa de la unin, y por el otro unacavidad resonante, la cual posibilita tener una trayectoria deretroalimentacin positiva facilitando que se emitan mas fotones deforma estimulada y se seleccione ciertas longitudes de onda haciendomas angosto al espectro emitido.

0a presencia de una inversin grande de portadores y las propiedadesde la cavidad resonante hacen que las caractersticas de salida +potenciaptica como funcin de la corriente de polari#acin- tenga un umbral apartir del cual se obtiene emisin estimulada, el cual es funcin de latemperatura.

?n diodo lser es diferente en este aspecto, ya que produce lu#

coherente lo que signica que todas las ondas luminosas estn en faseentre s. 0a idea bsica de un diodo lser consiste en usar una cmararesonante con espejos que refuer#a la emisin de ondas luminosas a lamisma frecuencia y fase. 5 causa de esta resonancia, un diodo lserproduce un ha# de lu# estrecho que es muy intenso, enfocado y puro.

El diodo lser tambin se conoce como lser semiconductor o tambinconocidos como lseres de inyeccin, Estos diodos pueden producir lu#visible +roja, verde o a#ul- y lu# invisible +infrarroja-.!e usan enproductos de consumo y comunicaciones de banda ancha.

MODOS DE UN DIODO LASER

?n lser puede ser clasicado como operar en modo continuo o pulsado,dependiendo de si la salida de potencia es esencialmente continua en el


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tiempo o si su salida toma la forma de pulsos de lu# en una o en otraescala de tiempo. /or supuesto, incluso un lser cuya salida esnormalmente continua se puede girar intencionalmente dentro y fuera auna tasa con el n de crear pulsos de lu#. Cuando la velocidad demodulacin es en escalas de tiempo mucho ms lento que el tiempo de

vida cavidad y el perodo de tiempo durante el cual la energa se puedealmacenar en el mecanismo de accin lser o medio de bombeo, acontinuacin, todava se clasica como un 7modulada7 o 7pulsada7 lserde onda continua. 0a mayora de los diodos lser utili#ados en lossistemas de comunicacin caen en esa categora.

OPERACIN DE ONDA CONTINUA5lgunas aplicaciones de los lseres dependen de un ha# cuya potencia

de salida es constante en el tiempo. Dal un lser se conoce como ondacontinua. !e pueden hacer muchos tipos de lser para operar en elmodo de onda continua para satisfacer este tipo de aplicacin. Uuchosde estos lseres en realidad laser en varios modos longitudinales almismo tiempo, y tiempos entre las frecuencias ligeramente diferentespticas de las oscilaciones, de hecho, producir variaciones de amplituden escalas de tiempo ms cortas que el tiempo de ida y vuelta,tpicamente de unos pocos nanosegundos o menos. En la mayora de loscasos, estos lseres son todava llaman 7onda continua7 como su

potencia de salida es estable cuando se promedian sobre cualquierperiodo de tiempo ms largos, con las variaciones de energa de muyalta frecuencia que tienen poco o ning@n impacto en la aplicacinprevista.

/ara el funcionamiento de onda continua que se requiere para lainversin de poblacin del medio de ganancia que ser repuestocontinuamente por una fuente de bombeo constante. En algunos mediosde accin lser es imposible. En algunos otros lseres que requerira debombeo del lser a un nivel muy alto de potencia continua que sera

poco prctico o destruir el lser mediante la produccin de calore"cesivo. Estos lseres no se pueden ejecutar en modo CQ.

OPERACIN PULSADA4peracin de pulsado de los lseres se reere a cualquier lser noclasicados como onda continua, de modo que la potencia ptica


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aparece en pulsos de una cierta duracin en alg@n tasa de repeticin.Esto abarca una amplia gama de tecnologas que aborden un n@mero dediferentes motivaciones. 5lgunos lseres son pulsadas simplementeporque no se pueden ejecutar en el modo continuo.

En otros casos, la aplicacin requiere la produccin de impulsos quetienen una energa tan grande como sea posible. /uesto que la energadel pulso es igual a la potencia media dividida por la tasa de repeticin,este objetivo a veces puede ser satisfecha mediante la reduccin de latasa de impulsos de modo que ms energa puede ser construida enentre pulsos. En la ablacin con lser, por ejemplo, un peque=o volumende material en la supercie de una pie#a de trabajo se puede evaporar sise calienta en un tiempo muy corto, mientras que el suministro de laenerga gradualmente permitira el calor para ser absorbido en la mayorparte de la pie#a , nunca alcan#ar una temperatura sucientemente altaen un punto particular.

4tras aplicaciones se basan en la potencia de cresta del impulso,especialmente con el n de obtener efectos pticos no lineales. /ara unpulso de energa dada, esto requiere la creacin de pulsos de duracinms breve posible la utili#acin de tcnicas como el V6sWitching.

El ancho de banda ptica de un pulso no puede ser ms estrecha que elrecproco de la anchura del impulso. En el caso de pulsose"tremadamente cortos, que implica la accin lser en un ancho de

banda considerable, muy al contrario de los anchos de banda muyestrechos tpicos de los lseres de CQ. El medio de emisin lser enalgunos lseres de colorante y los lseres de estado slido vibrnicasproduce ganancia ptica en un amplio ancho de banda, lo que haceposible un lser que puede as generar pulsos de lu# de tan slo unospocos femtosegundos.

En un lser de V6conmutado, se permite la inversin de poblacin paraconstruir mediante la introduccin de la prdida en el interior delresonador que e"cede la ganancia del medio, lo que tambin puede ser

descrito como una reduccin del factor de calidad o 7V7 de la cavidad.Entonces, despus de la energa de bombeo almacenada en el medio delser se ha acercado al nivel m"imo posible, el mecanismo de prdidaintroducido se elimina rpidamente, permitiendo que la accin lserpara comen#ar que obtiene rpidamente la energa almacenada en elmedio de ganancia. Esto se traduce en un impulso corto que laincorporacin de la energa, y por lo tanto una alta energa m"ima.


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?n lser de modo bloqueado es capa# de emitir pulsos e"tremadamentecortos, del orden de decenas de picosegundos reduce a menos de '1femtosegundos. Estos pulsos se repetir en el tiempo de ida y vuelta, esdecir, el tiempo que la lu# tarda en completar un viaje de ida y vueltaentre los espejos que componen el resonador. %ebido al lmite de

Aourier, un pulso de tal longitud temporal corto tiene un espectroe"tendido sobre un ancho de banda considerable. /or lo tanto un mediode dicha ganancia debe tener un ancho de banda de gananciasucientemente amplia para amplicar esas frecuencias. ?n ejemplo deun material adecuado es de titanio dopado, crecido articialmente #aroque tiene un ancho de banda de ganancia muy amplia y por lo tantopuede producir pulsos de slo unos pocos femtosegundos duracin.

Dales lseres en modo bloqueado son una herramienta ms verstil paraprocesos que ocurren en escalas de tiempo e"tremadamente cortosinvestigacin, para ma"imi#ar el efecto de la no linealidad en materialespticos debido a la gran potencia de pico, y en aplicaciones de ablacin.?na ve# ms, debido a la duracin e"tremadamente corta del impulso,tal lser producir impulsos que alcan#an una potencia e"tremadamentealta pico.

CONDICIONES DE DISPARO

4tro mtodo de lograr la operacin de lser pulsado es para bombear elmaterial lser con una fuente que es en s mismo pulsada, ya sea atravs de la carga electrnica en el caso de lmparas de Lash, u otrolser que ya est pulsado. /ulsos de bombeo se utili# histricamentecon lseres de colorante en el tiempo de vida de poblacin invertida deuna molcula de colorante era tan corto que se necesita una energa,bomba rpida alta.

0a manera de superar este problema fue para cargar condensadoresgrandes que luego se cambiaron a descargar a travs de lmparas de

destellos, la produccin de un Lash intensa. /ulsos de bombeo tambinse requiere para lser de tres niveles en los que el nivel de energa msbajo se convierte rpidamente en altamente poblada evitar una mayoraccin lser hasta que esos tomos se relajan al estado fundamental.Estos lseres, como el lser e"cimer y el lser de vapor de cobre, no sepueden utili#ar en el modo CQ.


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ECUACIONES DE EMISIN

/ara el anlisis del funcionamiento del lser hay que partir de

las ecuaciones de emisin +en este caso, particulari#adas para el caso delseres monomodo-, que son la solucin a las ecuaciones de Ua"Wellpara el caso del lser$

X'Y

X(Y

%onde Py Nrepresentan la cantidad o n@mero de fotones y portadoresen la cavidad respectivamente, tpes el tiempo de vida de losfotones , tnel tiempo de recombinacin de los portadores, Respes la tasade emisin espontnea y Ges la tasa de emisin estimulada o gananciaptica de la cavidad.

0a denicin o el valor de cada uno de los parmetros que determinan elfuncionamiento del lser es$

LA CANTIDAD DE FOTONESviene dada en funcin del campoelctrico$

X)Y

%onde e0es la permitividad del medio material, m es el ndice delmodo,mes ndice de los portadores inducidos y !es la energa de unfotn.

EL NMERO DE PORTADORES en la #ona activa se dene como$

X


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%onde n es la densidad de portadores y es prcticamenteconstante, V="!#es el volumen de la cavidad siendo "la longitud, !elancho y del grosor de la misma.

LA GANANCIA PTICA se halla a partir de:

X:Y

donde G es el factor de connamiento, v es la velocidad de grupo denida como v= c/m y es una ganancia de la cavidad cuyovalor es$ = s$ n % n0& , donde ses el coeciente de'n'nci'#i(erenci'), n0la densidad de portadores requerida para alcan#ar el nivelde transparencia y n la densidad de portadores. Como no se va atrabajar con densidad de portadores por unidad de volumen, sino con

n@mero de portadores, se desarrolla un poco esta denicin para llegara otra e"presin que convenga mejor$ G = GN$N%N0&*

EL TIEMPO DE VIDA DE LOS FOTONES:

X2Y

%onde 'eson las prdidas en los espejos, 'intotras prdidas intrnseca dela cavidad.

EL TIEMPO QUE TARDAN EN RECOMBINARSE LOSPORTADORESes:

X3Y

LA TASA DE EMISIN ESPONTNEA,viene dada por$

XJY


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%onde todo lo contenido dentro del corchete se conoce como factor deinversin de la poblacin y Efes la energa de separacin entre losniveles de Aermi.

!i a X'Y y X(Y se le a=ade la ecuacin de emisin de la fase, se tiene elsistema de ecuaciones de emisin de lseres monomodo completo XRY.

XRY

EFICIENCIA CUNTICA

0a Eciencia cuntica es una cantidad denida para un dispositivofotosensible como la pelcula fotogrca o un CC% como el porcentaje defotones que chocan con la supercie fotorreactiva que producir un parelectrn6hueco. Es una medida precisa de la sensibilidad del dispositivo.5 menudo se mide sobre un rango de diferentes longitudes de onda para

caracteri#ar la eciencia del dispositivo a cada energa. 0a pelculafotogrca tiene tpicamente una eciencia cuntica de menos del '1Z,mientras los CC%s pueden tener una eciencia cuntica sobre R1Z enalgunas longitudes de onda.

FRECUENCIA DE RESONANCIA

!e denomina frecuencia de resonancia a aquella frecuenciacaracterstica de un cuerpo o un sistema que alcan#a el grado m"imode oscilacin.

Dodo cuerpo o sistema tiene una, o varias, frecuencias caractersticas.Cuando un sistema es e"citado a una de sus frecuencias caractersticas,su vibracin es la m"ima posible. El aumento de vibracin se produceporque a estas frecuencias el sistema entra en resonancia.


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0a eciencia de 5cople es la medida de la cantidad de potencia pticaemitida desde una fuente que puede ser acoplada con una Aibra Fptica

/f& /otencia 5coplada a la Aibra

/s& /otencia Emitida desde la Auente de 0u#

0a eciencia de 5cople depende del tipo de bra conectada a la fuente ydel proceso de acople +lentes u otro complemento-

ESTRUCTURA Y PATRONES DE RADIACIN


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El modo transversal de un frente de onda electromagntica es el perldel campo electromagntico en un plano perpendicular +transversal- a ladireccin de propagacin del rayo. Uodos transversales ocurren en lasondas de radio y microondas connadas en una gua de ondas, comotambin la lu# connada en una bra ptica y en el resonador ptico deun lser.

0os modos transversales son debidos a las condiciones de fronteraimpuestas por la gua de ondas. /or ejemplo una onda de radio que sepropaga a lo largo de una gua hueca de paredes metlicas tendr comoconsecuencia que las componentes del campo elctrico paralelas a ladireccin de propagacin +eje de la gua- se anulen, y por tanto el perltransversal del campo elctrico estar restringido a aquellas ondas cuyalongitud de onda encaje entre las paredes conductoras. /or esta ra#n,los modos soportados son cuanti#ados y pueden hallarse mediante lasolucin de las ecuaciones de Ua"Well para las condiciones de fronteraadecuadas.

LASER MONOMODO

0as comunicaciones led se producen principalmente a partir de ;a5sp o;a5s. %ebido a que los ledes;a5sp operan a una mayor longitud de


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onda que los ledes;a5s +',) micrmetros contra 1,J'61,J3 [m-, suespectro de salida es ms ancho en un factor de alrededor de ',3 veces.El ancho de amplio espectro de los ledes causa una alta dispersin en labra, lo que limita considerablemente su producto tasa de bits6distancia+medida com@n de utilidad-. 0os ledes son adecuados principalmente

para aplicaciones de red de rea local con velocidades de '1 a '11UbitSs, y distancias de transmisin de unos pocos Oilmetros. 0os leds sehan desarrollado para usar varios po#os cunticos para emitir lu# endiferentes longitudes de onda en un amplio espectro, y actualmenteestn en uso en redes de rea local de multiple"ado por divisin delongitud de onda.

?n lser semiconductor transmite lu# a travs de la emisin estimuladaen ve# de emisin espontnea, lo que da como resultado una altapotencia de salida +\'11 mQ-, as como otros benecios de la lu#coherente. 0a salida del lser es relativamente direccional, lo quepermite un acoplamiento de alta eciencia +\:1Z- en bras monomodo.0a anchura espectral estrecha permite altas tasas de transferencia debits, ya que reduce el efecto de dispersin cromtica. 0os lseressemiconductores pueden ser modulados directamente a altasfrecuencias, debido a la recombinacin de tiempo corto.

5 menudo, los diodos lser se modulan directamente, que es la salida delu# controlada por una corriente aplicada directamente al dispositivo.

/ara tasas de datos muy altas o enlaces de muy larga distancia, unafuente de lser puede ser de onda continua y la lu# modulada por undispositivo e"terno como un modulador de electroabsorcin

MODULACIN

0a respuesta general a los distintos mtodos de modulacin depende defactores intrnsecos y e"trnsecos del lser. 0os lmites e"trnsecos sonvarios. ?na restriccin importante es el sobrecalentamiento del lserdebido a las altas corrientes de polari#acin del lser. Estas altas

corrientes son necesarias para poder hacer funcionar el lser a altasvelocidades. El sobrecalentamiento produce un deterioro de losparmetros del dispositivo como la ganancia, corriente umbral, etc.

4tro aspecto importante en la polari#acin de lseres a alta potencia esla degeneracin 7catastrca7 que se produce si se da=an los espejos.Esto destruye el lser al estropearse los espejos de la cavidad. /or tanto


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el lser tiene un lmite superior de inyeccin, hasta el cual puede operarcon seguridad y por encima del cual se destruye el lser.

?n @ltimo lmite e"trnseco del lser que limita la velocidad de ste esdebido a los elementos parsitos e"trnsecos del diodo lser. El lser

debe ser dise=ado con cuidado para que la resistencia, capacidad einductancia no limiten la respuesta del dispositivo. 0os lmitesintrnsecos de modulacin son debidos al dise=o de la cavidad, arrastre ydifusin de los portadores que limitan la velocidad de la modulacin depeque=a se=al.

MODULACIN DE GRAN SEAL

En este tipo de modulacin el lser es puesto a 48 y a 4AA, es decir, lacorriente pasa de estar por encima del valor umbral a estar por debajodel valor umbral. Este tipo de modulacin se puede utili#ar paraintercone"iones pticas o para algunas aplicaciones lgicas. 0arespuesta del lser es bastante lenta con esta modulacin +\'1ns-. 0amodulacin de gran se=al no se utili#a para comunicaciones pticasdebido a la respuesta tan lenta y debido a la anchura espectral de lasalida. %e hecho la respuesta en gran se=al de un lser.

MODULACIN DE PEQUEA SEAL

En modulacin de peque=a se=al el lser est polari#ado en un puntopor encima del valor umbral y se le aplica una peque=a se=al ac. Estemtodo presenta la mayor respuesta en frecuencia pudindose alcan#aranchos de banda de hasta :1;>#.

MODULACIN DE CDIGO DE PULSOS

Esta tcnica de modulacin es la ms utili#ada en las comunicaciones

pticas actuales. Es un hbrido entre la modulacin de gran se=al y la depeque=a se=al. El lser est polari#ado por encima de su valor umbral yse le aplican pulsos de corriente +o tensin- de forma que la corriente vade un valor superior a otro inferior pero siempre, incluso en el estadobajo, por encima del valor umbral. Con este tipo de modulacin sealcan#an anchos de banda de hasta '1;>#.


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EFECTOS DE LA TEMPERATURA

Como en el 0E% la dependencia de la temperatura de la emisin de unlser es de suma importancia. Dal y como hemos visto en una seccinanterior, para aplicaciones de muy alta velocidad necesitamos altas

corrientes de inyeccin lo cual puede producir un calentamiento deldispositivo a@n con buena refrigeracin. 0os factores de mayorimportancia en el estudio de la dependencia con la temperatura sonH i-efecto de la temperatura sobre la corriente umbral y la intensidad pticay ii- efecto de la temperatura sobre la frecuencia de emisin.

DEPENDENCIA DE LA CORRIENTE UMBRAL CON LA TEMPERATURA

Conforme aumenta la temperatura del lser, su corriente umbraltambin aumenta y para un nivel de inyeccin determinado, la salida defotones cae. !e debe a dos ra#ones principalmente$

El incremento de temperatura causa que puedan e"istir electronesy huecos con energas mayores. En consecuencia, una mayorfraccin de la carga inyectada podr cru#ar la regin activa yentrar en el recubrimiento o regin de los contactos. Esta corrientede prdidas ya la vimos para el 0E%. 0a corriente de prdidasdepende del dise=o del lser y se puede minimi#ar utili#ando unaregin activa ms ancha o una estructura con variacin gradual

del ndice en el caso de lseres de po#o cuntico.

5 mayor temperatura hay ms electrones y huecos con energassuperiores al valor energtico umbral necesario para que seprodu#ca la recombinacin de 5uger. Esto, junto junto con elincremento en la densidad de portadores umbral hace que larecombinacin de 5uger cre#ca e"ponencialmente con latemperatura. 0os procesos de 5uger son especialmenteimportantes en materiales de estrecha banda prohibida.

EFECTO AUGER:0a ya mencionada recombinacin de 5uger da lugar a calor en ve# de afotones por lo que una fraccin de la corriente no estar disponible parala creacin fotones y, en consecuencia, habr que aumentar el nivel deinyeccin para alcan#ar la misma densidad de fotones. 5dems seproduce un aumento del factor de amortiguamiento de la resonanciareduciendo el ancho de banda.


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DEPENDENCIA CON LA TEMPERATURA DE LA FRECUENCIA DEEMISIN

/ara la mayora de las aplicaciones es deseable que la frecuencia deemisin permane#ca estable. /ero en realidad si cambia la temperatura

cambia la frecuencia de emisin del lser. >ay dos efectos que controlanesta variacin de la frecuencia$

0a variacin de la banda prohibida hace despla#arse el espectro deganancia completo a energas menores conforme aumenta latemperatura. Esta variacin de la banda prohibida es del orden de1,:meIS] en la mayora de los semiconductores. Esto hace variaral espectro de ganancia en )^ o


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circuito controlador de la fuente modula la fuente ptica variando supropia corriente.

0a se=al ptica se junta, se acopla a la bra ptica a travs de la interfa#de salida del transmisor. >ay dos tipos de diodos de juntura de emisin

de lu# que se usan como fuente ptica del transmisor.

Esta el diodo emisor de lu# +0E%, acrnimo ingls de 0ight6Emitting%iode-, y el diodo lser +0%-. 0os 0E% son ms simples ygeneran lu# incoherente, y de potencia baja. 0os 0% son ms complejosy generan lu# coherente, y de potencia alta.

El grco ilustra la potencia de salida ptica, /, de cada uno de estosdispositivos en funcin de la corriente elctrica de entrada , del circuitode modulacin. En la gura se ve que el 0E% tiene una caracterstica /6

relativamente lineal, mientras que el 0% tiene una caracterstica nolineal o efecto umbral. El 0% tambin tiene una propensin a tenerpliegues donde la energa disminuye con el aumento del ancho debanda.

LANZAMIENTO DE POTENCIA FUENTE FIBRA

PATRN DE EMISIN DE LA FUENTE

0a combinacin de fuente de lu# de bra, calidad de bra y dimetro den@cleo de la bra determinar no slo la distancia funcional del canal,sino tambin la velocidad de las comunicaciones. ecientemente, labra multimodo ha e"perimentado una transicin de bra de 2(,:S'(:+n@cleoSblindaje- en varias calidades a bra de :1S'(: micras, tambin


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disponible en varias calidades, incluyendo la bra de m"imorendimiento optimi#ada para lser. 0a bra multimodo es normalmentela opcin para distancias ms cortas. 0a lu# se lleva en varias rutas omodos. ?n modo es la transmisin de lu# en un estado constante. 0abra monomodo permite una @nica rutaSmodo y es adecuada para

aplicaciones de ms largo alcance. 0a electrnica activa que respalda labra multimodo es menos costosa que la monomodo.

0a velocidad a la que viaja la lu# en una bra se mide por su ndice derefraccin. !e trata de una ecuacin que compara la velocidad de la lu#en un medio con su velocidad m"ima en el vaco. Esta lu# viaja en elespectro no visible, normalmente J:1 nm, ')11 nm o '::1 nm. Elespectro visible termina apro"imadamente a 3:1 nm. Este espectropuede llevar se=ales analgicas y digitales. 0os dispositivos que activanla fuente de lu# convierten esas se=ales en pulsos de lu# dentro delespectro requerido para la transmisin. En el otro e"tremo, otrodispositivo detecta los pulsos de lu# que hay en cada modo y losconvierte otra ve# en se=ales analgicas o digitales que entiende el

dispositivo conectado.

0a velocidad de la bra se mide en hercios o ciclos por segundo. Cadaciclo equivale a un pulso u onda luminosa. ?n hercio equivale a un ciclo.Como la bra transmite a tasas de velocidad muy altas, medimos lospulsosSciclos que un dispositivo lan#a a la bra en megahercios +millonesde hercios por segundo-. %ebido a que la lu# no se degrada con ladistancia tan rpidamente como las se=ales elctricas, la atenuacin o


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prdida de se=al es inferior que en sus equivalentes de cobre. Ellopermite que las ondas luminosas viajen mayores distancias.

APERTURA NUM!RICA DE EQUILIBRIO"

En ptica, la apertura numrica +58- de un sistema pticoes unn@mero adimensionalque caracteri#a el rango de ngulos para loscuales el sistema acepta lu#. ecprocamente, tambin est relacionadocon el ngulo de salida del sistema. 0a denicin e"acta del trminovara seg@n diferentes reas de la ptica.

En la mayor parte de las reas de la ptica, especialmenteen microscopa, la apertura numrica de un sistema ptico tal como una

lente queda denido por la siguiente ecuacin$

donde nes el ndice de refraccindel medio en el que la lente seencuentra +' para el aire, ',)) para el aguapura, y hasta ',:2 paraalgunos aceites-, y es la mitad del ngulo de aceptancia m"imo quepuede entrar o salir de la lente. 0a 58 se mide generalmente conrespecto a un objeto o a un punto de una imagen y vara con la posicindel punto.

_ngulo de 5ceptancia$ es el m"imo ngulo en el cual el rayo de lu#incidente es atrapado por las paredes de la bra. En este caso el rayo delu# se reLeja totalmente en el recubrimiento de la misma, por lo que elngulo de transmisin, sobre el recubrimiento de la bra, es R19.

0as bras pticas multimodoslo guan la lu# que entra en la bradentro de un determinado cono de aceptancia. 0a mitad del ngulo de
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este cono es el ngulo de aceptancia,m'+. /ara bras con perl de saltode ndicemultimodo, este ngulo de aceptancia viene determinado porla siguiente e"presin

donde nnes el ndice de refraccin del n@cleo de la bra, y nces elndice de refraccin de la cubierta.

%ebido al gran parecido de esta e"presin con las deniciones de 58de otras reas de la ptica, es habitual llamar as al trmino de laderecha de la ecuacin anterior, deniendo nalmente la aperturanumrica de una bra como

,

donde nnes el ndice de refraccin del eje central de la bra. 8tese quecuando se usa esta denicin, la relacin entre la apertura numrica y elngulo de aceptancia es una mera apro"imacin. En particular, losfabricantes suelen dar la 58 para bras monomodobsandose en estae"presin, aunque para este tipo de bras el ngulo de aceptancia esalgo diferente y no depende solamente de los ndices de refraccin den@cleo y cubierta.

CLCULO DEL ACOPLE DE POTENCIA"

P#$%&'() A'#*+)) % +) F%&$% ) +) F(./)

5s y `s son el _rea y el ngulo de emisin fijo de la fuente

5f y `f son el _rea y y el ngulo fijo de aceptacin de la Aibra

_rea 5ctiva

AuenteFptica

/atrn deadiacin dela Auente

5ngulo de5ceptacinde la Aibra

/otencia /erdida

rdrdddB

dAdABP

s

r

s

A

sssF

m

f f

=

=

=

max0

0

2

0

2

00sin),(

),(
http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Salto_de_%C3%ADndice&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Salto_de_%C3%ADndice&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_%C3%B3ptica#Tiposhttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Salto_de_%C3%ADndice&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Salto_de_%C3%ADndice&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_%C3%B3ptica#Tipos


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P#$%&'() A'#*+)) %+ LED ) +) F(./)

P#$%&'() A'#*+)) %+ LED ) +) F(./) % S)+$# % &('% 0S$%*-I&%1 F(.%/2

/otencia Dotal Fptica del 0E%$

rdrdB

rdrdB

rdrddBP

s

r

s

r

s

r

s

s

s

22

00

0

2

0

max0

2

0

0

2

0 0

0

0

NA

sin

sincos2max0

=

=

=

= 210222

0

22

stepLED, 2)NA( nBrBrP ss

sincos2

sin),(

2/

0

0

22

0

2

2

0

2/

0

==

=

BrdBrP

ddBAP

sss

ss


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P#$%&'() A'#*+)) %+ LED ) +) F(./) % &('% G/))+ 0G/)%-I&%1 F(.%/2

0a /otencia acoplada desde el 0E% a la bra inde"ada graduada se dacomo$

!i el medio entre la fuente y la bra es diferente del material de n@cleocon ndice de refraccin n, la potencia acoplada en la bra se reducirpor el factor$

LANZAMIENTO DE POTENCIA VERSUS LONGITUD DE ONDA"

0a potencia ptica slo depende de la radiacin +luminosidad- y no en lalongitud de onda del modo. /ara un n@mero de bras de ndice gradualde modos est relacionada con la longitud de onda como$

/or lo tanto el doble de muchos modos se propagan para R11nm encomparacin con ')11nm pero la potencia radiada por el modo de una

fuente es

/or lo tanto el doble de potencia es lan#ado por modo para ')11nm, encomparacin con el R11nm

2

1

1

+

=nn

nnR

+=

2

12

2

anM

2

o

sB

M

P=


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ESQUEMA DE LENTES PARA ME3ORAR EL ACOPLE"

Iarios esquemas de lentes posibles son$

'. Aibra de e"tremo redondeado

(. Uicroesferas 5nidlicas +esfera peque=a de cristal en contactotanto con la bra y la fuente-

). Esfera magen +una lente esfrica ms grande utili#ado para laimagen de la fuente en la #ona n@cleo del e"tremo de la bra-


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El Aotodetector %entro del cable de donde se conectan dos bras

/unto intermedio en un enlace donde se conectan dos cables

0a Cone"in /uede !er$

Inculo permanente$ conocido como EU/50UE Cone"in fcilmente desmontable$ Conocido como C48ECD4

Dodas las tcnicas de unin estn sujetas a diferentes niveles de prdidade energa en la unin. Estas prdidas dependen de diferentesparmetros como$

%istribucin de energa de entrada a la unin 0ongitud de la bra entre la fuente y la unin

Caractersticas geomtricas y de gua de onda de los dos e"tremosde la unin

Cualidades del e"tremo de la bra

0a potencia ptica que se puede acoplar de una bra a la otra se limitapor el n@mero de modos que pueden propagarse en cada bra

?na bra con una capacidad de :11 modos conectada con la bra de la

capacidad de


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Como las diferentes bras pueden tener diferentes valores de a, 85 +1- y, de modo que U puede ser diferente para diferentes bras

0a fraccin de energa que puede ser acoplado es proporcional alvolumen de modo com@n de Ucomm. 0a eciencia de 5cople Aibra6a6

Aibra A est dadapor$

%onde UEes el n@mero de modos en la bra emisora. 0a prdida deacoplamiento bra a bra 0Ase da en trminos de Acomo$

",= %10 )o ,

C)6# ):Dodos los modos igualmente e"citados, unin con bra delmismo tama=o que tiene incluso una ligera desalineacinmecnica puede causar la prdida de potencia

C)6# B: 0a propagacin de modos en el estado de equilibriotienen un equilibrio 85. 0a unin con una bra ptica del mismotama=o del n@cleo y mismas caractersticas se encontrar +unir-a una 85 de tama=o ms grande en la bra receptora y hasta unadesalineacin mecnica no puede causar la prdida de potencia.Este caso es para bras ms largas. 0a prdida de potencia seproduce cuando en la bra receptora alcan#a el estado deequilibrio


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DESALINEAMIENTOS MECNICOS

5lineacin mecnica es el principal problema cuando se unen dos brasteniendo en cuenta su tama=o microscpico. ?n n@cleo de la bramultimodo ;8 estndar es :1 G '11m de dimetro +grosor de uncabello humano- 0a bra monomodo tiene dimetro de n@cleo de Rm.0as prdidas por radiacin se producen porque el cono de aceptacin dela bra emisora no es igual al cono de aceptacin de la bra receptora.

0a magnitud de la prdida de la radiacin depende del grado dedesalineacin /ueden producirse tres tipos diferentes de desalineacin

a- !eparacin longitudinalb- %esalineacin angularc- El despla#amiento a"ial o despla#amiento lateral

P!RDIDAS RELACIONADAS A LA FIBRA"

gual que con el cobre, la prdida o atenuacin de se=al en la bra semide en decibelios +dB-. 0a atenuacin de la bra aumentar con cadaconector o empalme. 8ormalmente la prdida de empalme es de unos

1,( dB por empalme. 8o obstante, las terminaciones decientes puedenaumentar esa cifra. 0a estimacin de prdida de bra compara laprdida real con la estimada +o prdida aceptable- seg@n el n@mero deempalmes en el canal. /ara medir esta prdida, debe utili#arse unmedidor de potencia y una fuente de lu#. /robar una bra estrictamentecon un reLectmetro ptico con indicacin temporal +4D%- proporciona


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la caracteri#acin del segmento de bra, pero no facilita el rendimientodenitivo.

!e encuentran dos tipos de atenuacin en cables de bra ptica$intrnseca y e"trnseca. 0a atenuacin intrnseca es inherente a la bra y

se introduce durante el proceso de fabricacin. ?n ejemplo seran lasimpure#as o irregularidades dentro del vidrio. Ello provoca que lasse=ales luminosas sean absorbidas o dispersadas y es el motivo por elque algunas bras admiten mayores distancias de aplicacin que otras.0os avances en fabricacin han introducido una nueva calidad de bramultimodo conocida como bra optimi#ada para lser.

Esta bra incorpora dos mejoras de fabricacin esenciales. 0a primera esla eliminacin de las anomalas mencionadas anteriormente, reduciendoimpure#as en el n@cleo de la bra. 0a segunda es un mayor control del

ndice de refraccin, lo que reduce la dispersin de modo asegurandoque lleguen todos los modos al receptor bsicamente al mismo tiempo.0a combinacin de esas mejoras aumenta mucho la capacidad de anchode banda de la bra, cuyo resultado es la compatibilidad conaplicaciones de mayor velocidad, incluyendo transmisiones a '1 ;bSs,as como distancias de transmisin ms largas. D5 hace referencia aesta bra como bra optimi#ada para lser mientras que !4SEC lo hacecomo bra de calidad 4U).

0a atenuacin e"trnseca se introduce durante la manipulacin decables. Ejemplos seran peque=as tensiones mecnicas +micro6

torcimientos- o vulneraciones del radio de curvatura +macro6torcimientos- y el resultado es que la lu# se refracta fuera del n@cleo.>ay que respetar los lmites de radio de curvatura especicados por elfabricante en todas las instalaciones de bra.


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En la bra, las se=ales y los pulsos deben ser entendidos por el receptoren cada e"tremo. >acer un tendido demasiado largo de un canal de brapuede causar errores, como pueden hacerlo e"cesivos empalmes, pocacalidad de la bra y una instalacin deciente. Cualquier anomala queimpida que un receptor registre los pulsos equivaldr a un error binario.

PREPARACIN DE LA FIBRA

de bra ptica se necesita una fuente de lu#. /uede ser un 0E%+diodo emisor de lu#-, un lser +amplicacin de lu# por emisin

estimulada de radiacin- o un IC!E0 +lser emisor de supercievertical-. 0os lseres y los IC!E0 proporcionan una fuente de lu# msintensa y enfocada por lo que pueden transmitir mayores distancias quesus equivalentes 0E%. El equipo que genera la se=al mediante las dos@ltimas tecnologas es ms caro que una fuente 0E%.

Con independencia del tipo de bra, el hecho de situar los pulsosde lu# en la bra se conoce como 7lan#ar7. El mtodo de lan#amientopuede variar desde un lan#amiento saturado a un lan#amiento de modorestringido. Como se e"puso anteriormente, la ruta de la lu# se llama

modo. En un lan#amiento saturado, la lu# introduce una se=al de mayortama=o que el n@cleo real de la bra. Eso permite que todos los modosse e"citen. En lan#amiento de modo restringido, se introduce un n@cleode lu# ms peque=o que e"cita slo determinados modos en la bra. Enmonomodo, slo se e"cita una @nica ruta o modo.

0os pulsos de lu# pueden dispersarse dentro de la bra con ladistancia, lo que se conoce como dispersin. Cuando los pulsos se


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superponen, pueden limitar la capacidad del receptor para registrarpulsos distintos, limitando en consecuencia el ancho de banda de unabra. 0a lu# viaja a diferentes velocidades en diferentes colores tambin./ara contrarrestar cierta prdida de dispersin, la fuente de lu# puedeproporcionar lo que se llama un lan#amiento restringido, normalmente

empleado para aplicaciones de mayor velocidad.

En ve# de llenar todos los modos en una bra con lu#, slodeterminados modos se e"citan y por lo tanto se restringe la gama depulsos y los efectos de dispersin.

5 longitudes de onda ms largas para velocidades de gigabitfuncionando en calidades ms antiguas de bra multimodo de 2(,:S'(:micras, el lan#amiento restringido provoca retardo de modo diferencial+las se=ales no llegan al receptor al mismo tiempo-. /ara esasaplicaciones, deben utili#arse latiguillos acondicionadores de modo. Esos

latiguillos proporcionan un desfase de manera que la lu# no entradirectamente en el centro del n@cleo de la bra. 5l desfasar el ha# haciaun rea fuera del centro del n@cleo, la dispersin se minimi#a. %ebeutili#arse un juego de latiguillos de lan#amiento restringido en cadae"tremo del sistema.

El ancho de banda de la bra es la capacidad de transmisin deinformacin de la bra. Es inversamente proporcional a la cantidad dedispersin. 5s, la medida en la que pueda controlarse la dispersindetermina esencialmente el ancho de banda utili#able de la bra.

E6*%'(7')'(#&%6 ISO *)/) )&'8# % .)&) 4+$(4##6

A&'8# % .)&) 49&(4# % 4##M; < =4

T(*# %7./)

D(54%$/# %+&>'+%#042

L#&?($% #&)

L)&;)4(%&$#6)$/)#

L)&;)4(%&$# %4## /%6$/(&?(#


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A&'8# % .)&) 49&(4# % 4##M; < =4

@*$(') 0&42 0OFL2 0RML2 &4

4U' :1 or 2(.: J:1')11

(11:11

8o especicado8o especicado

4U( :1 or 2(.: J:1')11

:11:11

8o especicado8o especicado

4U) :1 J:1')11

':11:11

(1118o especicado

Not'- .) 'ncho #e 'n#' e(ectivo #e )'n'miento #e )ser se 'r'nti'us'n#o ret'r#o #e mo#o #i(erenci') $232&4 como se especi5c' enI.6/PA7 809:%1%;


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CONOCER LA PARTE DEL LADO DEL EQUIPO

Cada pie#a de la electrnica activa tendr varias fuentes de lu#empleadas para transmitir a travs de los distintos tipos de bra. 0adistancia y el ancho de banda variarn con la fuente de lu# y la calidad

de la bra. En la mayora de redes, la bra se utili#a para operaciones deenlace ascendenteSred troncal y para conectar varios edicios juntos enun campus. 0a velocidad y la distancia son una funcin del n@cleo, delancho de banda de modo, de la calidad de la bra y de la fuente de lu#,cuestiones tratadas anteriormente. /ara transmisiones de gigabit, lasdistancias aprobadas por EEE se muestran en la tabla siguiente.

GBICL#&?($% #&)0&42

T(*#%7./)

D(54%$/#%+ &>'+%#04('/)62

A&'8# %.)&) 4#)+0MZ=42

(6$)&'()%+ ').+%

'111B5!E6!

J:1 UUA 2(.: '21 3(( ft.+((1m-

2(.: (11 R(1 ft.+(3: m-

:1


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que aparecen en la columna uno estn indicados como ! +cortadistancia-, 0 +larga distancia- y E +muy larga distancia-. Dambin esimportante observar que el uso de bra monomodo para distanciascortas puede causar que el receptor se vea desbordado y es posible quese necesite un atenuador en lnea para introducir atenuacin en el canal.

/ara hacer notar la diferencia entre velocidades y calidad, en lasiguiente tabla se comparan distancias, empe#ando con aplicaciones de'11 UbSs hasta llegar a aplicaciones de '1 ;bSs. Como puede verse, lasanomalas en la bra, las fuentes de lu# y las velocidades globales deancho de banda inciden en las distancias a travs de las que se puedellevar una se=al por la bra. 0a distancia aumenta con productos de braoptimi#ados para lser y, por lo tanto, brindaran el retorno de lainversin ms alto. 0as distancias adicionales admitidas eliminaran lanecesidad de ms electrnica costosa y repetidores dentro de la red de

bra.

A*+(')'(@&L#&(?% O&)

"4

"4

4

4

SMF

'11B5!E6! J:1nm )11m )11m )11m )11m

'111B5!E6! J:1nm ((1m (3:m ::1m ::1m

'111B5!E60 ')11nm ::1m ::1m ::1m ::1m :Om

'1;B5!E6! J:1nm (Jm (Jm J2m )11m

'1;B5!E60 ')'1nm '1Om'1;B5!E6E '::1nm


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tambin se estn haciendo comunes en aplicaciones de centros de datose incluso en algunas aplicaciones de escritorio. Como puede verse, labra de calidad ms elevada +o bra optimi#ada para lser- proporcionams Le"ibilidad para una instalacin de planta de bra. 5unque algunasversiones +'1;B5!E60U y '1;B5!E60


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0os 5coplamiento %irectos +!in lentes- de una sola fuente IC!E0 a unabra multimodo resulta en eciencia de hasta un R1Z.

El uso de lentes de microesferas de vidrio homogneas ha sido probadoen serie de varios cientos de conjuntos de diodos lser.

0ente de cristal esfrica del ndice de refraccin de ',R y dimetros queoscilan entre :1 y 21m pegados con resina a los e"tremos de :1 m dedimetro de n@cleo de bras de ndice gradual con 85 de 1,(. 0osvalores de AQ>U medidos de los haces de salida de lser fueron lossiguientes

bSW ) y Rm para el campo cercano paralelo a la unin bSW )1 y 21o para el campo perpendicular a la unin bSW ': y ::o para el campo paralelo a la unin

Ecacias de acoplamiento en estos e"perimentos variaron entre :1 yJ1Z.

EMPALMES

/ara la instalacin de sistemas de bra ptica es necesario utili#artcnicas y dispositivos de intercone"in como empalmes y conectores.

0os conectores son dispositivos mecnicos utili#ados para recoger lamayor cantidad de lu#. eali#an la cone"in del emisor y receptor ptico.

En caso de que los n@cleos no se empalmen perfecta y uniformemente,una parte de la lu# que sale de un n@cleo no incide en el otro n@cleo y sepierde. /or tanto las prdidas que se introducen por esta causa puedenconstituir un factor muy importante en el dise=o de sistemas detransmisin, particularmente en enlaces de telecomunicaciones de grandistancia.


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0os empalmes son las uniones jas para lograr continuidad en la bra.

En las bras monomodo los problemas de empalme se encuentranprincipalmente en su peque=o dimetro del n@cleo %n & '1m, estoe"ige contar con equipos y mecanismos de alineamiento de las brascon una mayor precisin.

0as prdidas de acoplamiento se presentan en las uniones de$

Emisor ptico a bra, cone"iones de bra a bra y cone"iones de bra afotodetector.


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0as prdidas de unin son causadas frecuentemente por una malaalineacin lateral, mala alineacin de separacin, mala alineacinangular, acabados de supercie imperfectos y diferencias ya sea entren@cleos o diferencia de ndices, como los indicados en la gura.

/ara reali#ar un empalme deben tenerse presente las siguientesconsideraciones$

!us prdidas pueden contribuir en forma considerable con elbalance de potencia del sistema +menor alcance-.

%eben reali#arse en el campo, no han de incluir partes delicadasdifciles de manejar o procedimientos complejos +Empalmeseconmicos conables y de calidad-.

0as prdidas se clasican en intrnsecas +homogeneidad ycomposicin de la bra- y e"trnsecas +proceso de empalme,

desalineacin-.

T!CNICAS DE EMPALME

E"isten fundamentalmente ( tcnicas diferentes de empalme que seemplean para unir permanentemente entre s bras pticas.

0a primera es el empalme por fusin que actualmente se utili#a en granescala, y la segunda el empalme mecnico.

EMPALME POR FUSINConsiste en la unin permanente de las bras mediante la fusin y uninde las mismas.

5nterior a la fusin de las bras se calientan previamente paraeliminar ciertas impure#as, evitar la formacin de burbujas.

El empalme se reali#a cuando las bras a unir llegan a una

temperatura sucientemente alta como para fundirse. 0a duracin del proceso puede estar en un minuto. 0uego seprotege la #ona del empalme con manguito +termocontractil- elcual se le recubre con un tubito de acero +rigide#-.

Dcnica de muy altas prestaciones, se logran atenuaciones de1,1)61,1:dB +bras monomodo-.


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Dambin e"isten empalmadoras por fusin para multibras lascuales reducen el tiempo de empalme por bra. Dienen el mismoprincipio descrito, pero las bras a empalmar se alinean con unelemento alineador multibra de ranuras.

EU/50UE /4 5%>E!48

0as bras son insertadas en un mecanismo de alineacin y luego unidascon un adhesivo epo"ico.


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Uecanismos de alineacin$ anura en I$ Dallada en un substrato metalico, cermico o plstico Base tres cilindros$ El empalme es hecho introduciendo la bra

dentro de tres tubos de alineacin. Base tubo ajustado$ !e introduce la bra dentro de un tubo o

manguito de vidrio agujereado perfectamente circular +)[m mayorque el dimetro de la bra-.

Base tipo cuadrado$ !e introduce la bra dentro de un tubo deseccin cuadrada, hacindolo ngulo de modo de orientarlas haciala esquina.

El adhesivo epo"ico adems de servir como elemento de unin esadaptador de ndices de refraccin.

/ueden optimi#arse mediante rotacin de una de las bras.

!e logran perdidas de insercin de 1,'61,:dB.


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EMPALME MECNICO Consiste en un tubo dividido hori#ontalmente, la parte de abajo es

una base tipo I y la de arriba una tapa plana.

El espacio entre ambas se llena de un gel adaptador, se insertanlas bras cortadas +de longitud determinada- y luego se cierrancon unas grapas de presin que empujan las bras hasta juntarlas.

E"isten versiones para cone"iones multibrasplanares.


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EMPALMES EN FIBRAS MONOMODO"

0os empalmes por fusin se utili#an sobre todo con bra monomodo ybasndonos en ra#onamientos de calidad tcnica podemos asegurar

que los empalmes por fusin son los mejores ya que ofrecen menoresprdidas de insercin y altas prdidas de retorno +menores reLe"iones-,pero e"isten otras ra#ones que hay que tener en cuenta al decidir el tipoa utili#ar, stas pueden ser$ econmicas, tecnolgicas y logsticas.

En cuanto a las ra#ones econmicas, se debe tener en cuenta que losempalmes mecnicos requieren una inversin inicial menor, que lanecesaria para los empalmes por fusin, dependiendo de la calidad yprecisin de la mquina y herramientas-, pero el coste del materialfungible para la reali#acin de cada empalme mecnico es ms elevado

que para los empalmes por fusin, ya que una ve# reali#ados solamentees necesario utili#ar un protector termo contrctil con refuer#o metlicocuyo coste es reducido .

0as ra#ones tecnolgicas vendrn marcadas por el tipo de industria en laque se realicen los empalmes. En el sector de telecomunicaciones yredes de C5DI, se utili#an bras monomodo y donde las longitudes de


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los cables sean elevadas se requerirn empalmes con bajas prdidas deinsercin, por lo que el empalme por fusin es el ms adecuado, pero enenlaces de cortas distancias .

En cuanto a los condicionantes logsticos hay que tener en cuenta que el

espacio necesario para la reali#acin de empalmes mecnicos es menorque el que se necesita para los empalmes por fusin y que para estos@ltimos es preciso energa, aunque en los @ltimos a=os proviene debateras, la reali#acin de los empalmes mecnicos no requiere ning@ntipo de alimentacin.

Estas caractersticas hacen que los empalmes mecnicos sean muyadecuados para reali#ar reparaciones rpidas, aunque en algunos casos,stas sean provisionales

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