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UNIVERSIDAD DE AQUINO BOLIVIA

Carrera: ING. DE TELECOMUNICACIONES

Materia: SISTEMAS DE COMUNICACIÓN POR FIBRA ÓPTICA

Docente: ING. FÉLIX PINTO MACEDO

Nombres: MAURICIO GUTIÉRREZGUTIÉRREZ

CARLA YESENIA ROJAS FARFÁN

ARIEL GERARDO MENDOZA AYALA

Gestión II - 2013

UDABOL – La Paz Página 1

Receptores ÓpticosIntroducción

El receptor óptico

El receptor óptico consiste en un dispositivo de fotodetector y una etapa de amplificación electrónica y el filtrado. El dispositivo de la célula fotoeléctrica, que son los sistemas activos de otro elemento básico de transmisión de fibra óptica, es responsable de detectar la conversión de la señal luminosa en una señal eléctrica. La etapa electrónica, asociada a la célula fotoeléctrica, tiene la función básica de filtrado y amplificación de la señal eléctrica convertida. La calidad de un receptor óptico se mide por su sensibilidad, que especifica el mínimo exigido, la salida de luz de una determinada actuación en términos de relación señal/ruido (S/N) o la tasa de errores de transmisión. Las fuentes convencionales de ruido asociado con las etapas de electrónica, pueden afectar el rendimiento de las fuentes de receptores ópticos de las características del ruido del proceso de conversión optoelectrónica. De un modo general, los receptores ópticos con fotodiodos de avalancha, más complejos, tienen un rendimiento superior a aquellos con fotodiodos PIN. Un receptor óptico especialmente útil para los sistemas de fibra óptica digital de explotación de una frecuencia del pulso elevada, convierte la señal de corriente de impulsos generados por un diodo PIN en una tensión de impulsos utilizando un convertidor de corriente a voltaje que comprende un transistor FET de entrada, un transistor bipolar cascode y un gran resistencia de realimentación para reducir el ruido mientras que proporciona un ancho de banda ancha y rango dinámico. El voltaje de la señal de impulsos de amplitud es limitada en un amplificador de limitación y pasa por un filtro pasabajo para eliminar el exceso de ancho de banda y reducir el ruido antes de ser aplicada a un comparador de alta velocidad, que genera la salida digital. El voltaje de la señal pulsada se pasa desde el convertidor de corriente a voltaje al amplificador de limitación a través de un transistor emisor seguidor de acoplamiento, para aislar la ganancia de bucle abierto de la corriente del convertidor de voltaje, de modo que su ancho de banda no se cambiará con la carga.

Tipos de detectores

Existen dos tipos fundamentales de detectores de luz, los térmicos y los fotónicos queoperan con mecanismos de transducción diferentes. Los detectores térmicos absorben (detectan) la energía de los fotones incidentes en forma de calor con lo que se produce un incremento en la temperatura del elemento sensor que implica también un cambio en sus propiedades eléctricas como por ejemplo la resistencia. El cambio en esta propiedad eléctrica en función del flujo radiante recibido es lo que permite su medida a través de un circuito exterior. La mayoría de esta clase de fotodetectores es bastante ineficiente y relativamente lento como resultado del tiempo requerido para cambiar su temperatura, lo que les hace inadecuados para la mayor parte de las aplicaciones fotónicas.


Los detectores fotónicos no utilizan la energía del fotón en forma de calor, sino que lainvierten al incrementar la energía de sus portadores de carga, con lo que se modifican las propiedades de conducción eléctrica de los sistemas detectores en función del flujo de fotones recibido. Este proceso de conversión implica la transformación de los fotones incidentes en electrones, pero esta respuesta simple no tendría ninguna relevancia si esos electrones no se ponen en movimiento para generar una corriente, que es la magnitud que realmente podemos medir, para ello en ocasiones hay que aplicar un campo eléctrico, dando lugar a un esquema como el de la figura 3.7. Dado su origen, la corriente así generada recibe el nombre de fotocorriente. Es a esta clase de detectores a la que nos vamos a dedicar en este tema.

Propiedades de los detectores fotónicos

Son los más utilizados en los sistemas de comunicaciones, y como ya se ha dicho, estánbasados en la capacidad de ionización de un material semiconductor, de forma que los diferentes dispositivos que veremos no son más que variaciones de este mismo principio. Para caracterizar el comportamiento de estos detectores, existen unos parámetros fundamentales a tener en cuenta en el proceso de selección para cada aplicación particular. Estos parámetros son:

Eficiencia cuántica Responsividad Tiempo de respuesta Características de ruido

En general, los fabricantes de dispositivos proporcionan datos relacionados con estascaracterísticas fundamentales, aunque en ocasiones no se den éstos de manera explícita. Aparte de la información de los dispositivos como detectores de radiación, también hay que tener en cuenta sus propiedades eléctricas en virtud de las características de componente electrónico que presentan.

Eficiencia cuántica

Se define como la probabilidad de que un fotón incidente sobre el dispositivo genere unpar de portadores que contribuyen a la corriente del detector. No todos los fotones incidentes generan portadores que contribuyan a la fotocorriente, los efectos de reflexión en la superficie, transparencia del material a los fotones de energía inferior a la del gap de energía prohibida del mismo, la probabilidad de absorción cerca de la superficie del dispositivo y la rápida recombinación de portadores en este caso por la abundancia de defectos, hace que la eficiencia cuántica se reduzca. El problema de la recombinación superficial puede minimizarse si se realiza un crecimiento cuidadoso de los cristales que forman los dispositivos.

Responsividad

Hace referencia a la corriente que circula por el dispositivo en función de la potencia


óptica incidente. La responsividad crece con λ hasta que se alcance el valor de la longitud de onda de corte. Al presentar una dependencia con λ, los fabricantes pueden proporcionar bien una figura con el rango total de longitudes de onda para las que es útil el dispositivo o el dato para la λ en la que responsividad es máxima. La responsividad del detector puede degradarse cuando la potencia óptica incidente es muy elevada. Se produce entonces la saturación del detector, es decir, se pierde la relación lineal entre la potencia óptica recibida y la corriente generada. En general, la responsividad dependerá también de factores como la temperatura y el ángulo de incidencia de la radiación sobre el detector. La responsividad también es llamada fotosensibilidad, sensibilidad, sensibilidad espectral.

Tiempo de respuesta

Va a ser un parámetro decisivo cuando la radiación incidente varía en el tiempo, en general los fotodiodos y sus variantes van a ser más rápidos que los fotoconductores. La rapidez en la respuesta a las variaciones del flujo de fotones recibido dependerá del propio material, de las características constructivas del componente y del circuito electrónico al que se encuentre acoplado. Aún con ciertas precauciones en el siguiente dato, los valores típicos en la respuesta de los detectores fotónicos suelen ser inferiores al micro segundo. Este dato puede aparecer en las hojas de especificaciones bajo diferentes formas, como tiempo de subida y bajada, como frecuencia de operación, etc.

El efecto fotoeléctrico

La emisión de electrones por metales iluminados con luz de determinada frecuencia fue observada a finales del siglo XIX por Hertz y Hallwachs. El proceso por el cual se liberan electrones de un material por la acción de la radiación se denomina efecto fotoeléctrico o emisión fotoeléctrica. Sus características esenciales son:

Para cada sustancia hay una frecuencia mínima o umbral de la radiación electromagnética por debajo de la cual no se producen fotoelectrones por más intensa que sea la radiación.

La emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiación que incide sobre la superficie del metal, ya que hay más energía disponible para liberar electrones.

En los metales hay electrones que se mueven más o menos libremente a través de la red cristalina, estos electrones no escapan del metal a temperaturas normales porque no tienen energía suficiente. Calentando el metal es una manera de aumentar su energía. Los electrones "evaporados" se denominan termoelectrones, este es el tipo de emisión que hay en las válvulas electrónicas. Vamos a ver que también se pueden liberar electrones (fotoelectrones) mediante la absorción por el metal de la energía de radiación electromagnética.

El objetivo de la práctica simulada es la determinación de la energía de arranque de los electrones de un metal, y el valor de la constante de Planck. Para ello, disponemos de un


conjunto de lámparas que emiten luz de distintas frecuencias y placas de distintos metales que van a ser iluminadas por la luz emitida por esas lámparas especiales.

Descripción

Sea la energía mínima necesaria para que un electrón escape del metal. Si el electrón absorbe una energía E, la diferencia E-, será la energía cinética del electrón emitido.

Einstein explicó las características del efecto fotoeléctrico, suponiendo que cada electrón absorbía un cuanto de radiación o fotón. La energía de un fotón se obtiene multiplicando la constante h de Planck por la frecuencia de la radiación electromagnética.

E=hf

Si la energía del fotón E, es menor que la energía de arranque , no hay emisión fotoeléctrica. En caso contrario, si hay emisión y el electrón sale del metal con una energía cinética Ek igual a E.

Por otra parte, cuando la placa de área S se ilumina con cierta intensidad I, absorbe una energía en la unidad de tiempo proporcional a IS, basta dividir dicha energía entre la cantidad hfpara obtener el número de fotones que inciden sobre la placa en la unidad de tiempo. Como cada electrón emitido toma la energía de un único fotón, concluimos que el número de electrones emitidos en la unidad de tiempo es proporcional a la intensidad de la luz que ilumina la placa

Mediante una fuente de potencial variable, tal como se ve en la figura podemos medir la energía cinética máxima de los electrones emitidos, véase el movimiento de partículas cargadas en un campo eléctrico.


Aplicando una diferencia de potencial V entre las placas A y C se frena el movimiento de los fotoelectrones emitidos. Para un voltaje V0 determinado, el amperímetro no marca el paso de corriente, lo que significa que ni aún los electrones más rápidos llegan a la placa C. En ese momento, la energía potencial de los electrones se hace igual a la energía cinética.

Variando la frecuencia f, (o la longitud de onda de la radiación que ilumina la placa) obtenemos un conjunto de valores del potencial de detenciónV0. Llevados a un gráfico obtenemos una serie de puntos (potencial de detención, frecuencia) que se aproximan a una línea recta.

La ordenada en el origen mide la energía de arranque en electrón-voltios /e. Y la pendiente de la recta es h/e. Midiendo el ángulo de dicha pendiente y usando el valor de la carga del electrón e= 1.6 10-19 C, obtendremos el valor de la constante de Planck, h=6.63 10-34Js.

Principales requerimientos del fotodetector

El detector es un componente ideal en un sistema de fibras ópticas, sufunción es convertir la señal óptica recibida en una señal eléctrica, la cual seamplifica antes de ser procesada.

Principio de operación de los fotodetectores.Un fotón puede ser detectado por un proceso de interacción de la materiaen el que el fotón es aniquilado y su energía transformada en calor o corrienteeléctrica. Los requisitos para la ejecución y compatibilidad de detectores sonmuy similares a los requisitos de la fuente de emisión.

Estos requisitos son:

Alta sensibilidad de operación. Alta fidelidad.


Amplitud de respuesta eléctrica a la señal óptica recibida. Tiempo de respuesta corto. Estabilidad de las características de ejecución. Tamaño físico del detector.

Funcionamiento

Se basa en una unión semiconductor P-N con polarización inversa, que al incidirle fotones de una determinada frecuencia induce una transición de electrones de la BV a BC, generándose un par electrón-hueco en la región de transición.

El par electrón-hueco generado es conducido hacia la región P y N respectivamente debido a la acción del campo eléctrico generado por las densidades internas de carga.

Si no se polariza el semiconductor la corriente inducida a través de la unión será compensada por la corriente de difusión de los portadores mayoritarios. Si se polariza inversamente la difusión de portadores mayoritarios se reducirá notablemente por lo que habrá una corriente eta fluyendo.

Corriente de sombra (DarkCurrent) (Id)


Se le define como lacorriente que genera un fotodetector en ausencia de potenciaóptica, y se origina de la luz ambiental, o aquella producida porpares electrón-hueco generados térmica en Z te.Junto con la responsividad y el ancho de banda, la corriente desombra, Id, es el tercer parámetro de importancia del fotodetector.Para un buen fotodetector, Id, debería ser despreciable:Nivel aceptable : Id < 10 nA

Tipos de fotodetectores

Existen, en general, dos tipos de fotodetectores:

Fotoconductivos: Generan flujo de corriente en presencia de luz Fotovoltaicos: Generan un voltaje en presencia de luz.

En recepción óptica se usan principalmente del tipo fotoconductivos y constituye el caso más simple de la aplicación de materiales semiconductores a la detección de radiación óptica, pues consiste simplemente en la absorción de luz por parte de un trozo de semiconductor con contactos eléctricos, tal y como aparece en la figura 3.8a. Cuando un fotón alcanza al semiconductor y es absorbido, se produce la generación de un par electrón – hueco. La influencia del campo eléctrico que hay entre los contactos provoca la migración de electrones y huecos hacia ellos, con lo que se produce un cambio en la resistencia del material en función de la cantidad de luz que reciben, es decir, su conductividad aumenta proporcionalmente al flujo de electrones recibido, con lo que se obtiene una fotocorriente cuantificable. Con este tipo de fotodetectores se puede registrar esa fotocorriente o bien medir la caída de tensión en una resistencia de carga colocada en serie con el dispositivo.

Una configuración usual de esta clase de detectores es la que se muestra en la figura 3.8b, donde el ánodo y el cátodo se encuentran sobre la misma superficie del material de forma que el tiempo de transición entre uno y otro se minimiza al tiempo que se maximiza la transmisión de luz. Aquí se encuentra una característica útil para los detectores en general, y es que cuanto menor sea su tamaño, su comportamiento en conmutación será mejor, aunque esta reducción en las dimensiones hace que recolecte menos luz.


De la misma forma que en el caso de los fotoconductores, el fenómeno que interviene esla absorción de radiación por parte de un material semiconductor, generando pares de portadores de carga que contribuyen a la foto corriente. Existen diferentes configuraciones para los fotodiodos, cada una de ellas con características específicas. A continuación, se describirán aquellos foto detectores comúnmente utilizados en receptores ópticos: P-N, P-I-N, APD, y MSN, que además presentan propiedades que también encontraremos en foto detectores más complejos.

Fotodiodo P-N

A grandes rasgos, podemos definir un fotodiodo p-n como una unión p-n en la que lacorriente inversa aumenta con el flujo de fotones incidente.En principio, los fotones pueden ser absorbidos en toda la estructura como en el caso delos fotoconductores, pero aquí aparece el efecto de la unión, de forma que existe un campo eléctrico intenso en la zona de la unión con la dirección n-p (Figura 3.9) que es capaz de separar los pares de portadores generados rápidamente, disminuyendo así la probabilidad de que se produzcan recombinaciones que impidan la contribución a la foto corriente. Es en esta zona donde será deseable que se produzca la absorción. A temperatura ambiente existe una cierta probabilidad de que se produzcan transiciones espontáneas entre bandas aún en ausencia de iluminación, con lo que se puede generar una pequeña corriente que recibe el nombre de corriente de oscuridad. Esta corriente de oscuridad dependerá de la temperatura y de las condiciones eléctricas de operación del fotodiodo.

El tiempo de respuesta está limitado, como es lógico, por el tiempo de tránsito de losportadores a través de la zona de la unión, así como por la constante de tiempo del circuito asociado. Hay además otra contribución a la fotocorriente por parte de los portadores generados fuera de la zona de la unión, pero con cierta proximidad a ella. Estos portadores tienen la posibilidad de alcanzar la zona de transición por medio de la difusión térmica dentro de los materiales neutros, con lo que el campo eléctrico puede hacer que atraviesen rápidamente la zona de transición comunicándoles una cierta aceleración. En este caso, esos portadores generados fuera de la zona de la unión


pueden contribuir a la corriente. Sin embargo, los procesos asociados con la difusión de portadores dentro de la estructura son muy lentos, lo que hace que los dispositivos basados en fotodiodos p-n no puedan ser utilizados en sistemas que requieran de una alta velocidad de conmutación, aunque en general presentarán un menor tiempo de respuesta que los fotoconductores.

Como se ha visto, la zona en que interesa que se produzca la incidencia del flujo defotones de forma que se consiga la mayor eficiencia cuántica, es la zona de la unión o zona de transición. Pero esa zona es físicamente muy delgada. Para mejorar las prestaciones del fotodiodo p-n, la idea más sencilla sería aumentar el tamaño de esa zona de transición, y eso es lo que se pretende con la siguiente configuración.

Existen tres formatos clásicos de operación con un fotodiodo: circuito abierto (modofotovoltaico), cortocircuito y polarizado inversamente (modo fotoconductivo).El comportamiento de los fotodiodos en régimen de conmutación, está directamenterelacionado con el tiempo de respuesta del componente. En general, ese tiempo de respuesta va a depender da la constante RC del circuito.

En general, los fotodiodos operan con una fuerte polarización inversa con el objetivo decrear un campo eléctrico intenso en la zona de la unión, de forma que aumente la velocidad de los portadores en ella reduciendo así el tiempo del transitorio, además, se incrementa la anchura de la zona de transición, con lo que facilitamos la absorción de fotones en la zona de interés a la vez que reducimos la capacitancia de la unión, lo que también contribuye al incremento en la velocidad de respuesta.

Fotodiodo PIN

El fotodiodo PIN se utiliza para permitir la operación en longitudes de ondagrandes donde la luz penetra más profundamente en el material semiconductor.

Tiene las siguientes características:

Si se incrementa el ancho de la región activa se incrementa la eficiencia. El ancho de la región de agotamiento incrementa el tiempo de tránsito de los

fotones.

Los fotodiodos PIN de silicio se utilizan como receptores ópticos en las longitudes de onda entre 0,8 y 1 um.

Para aumentar la sensibilidad del PIN se utilizan fotodiodos PIN –con preamplificador FET– que poseen un ancho de banda amplio, pudiendo ser utilizados para diferentes longitudes de onda y diferentes tipos de fibras. Su constitución le permite obtener señales ópticas de hasta el nanowatt y asegurar la precisión en la detección

El fotodiodo PIN es el detector más utilizado en los sistemas de comunicación óptica. Es relativamente fácil de fabricar, altamente fiable, tiene bajo ruido y es compatible con


circuitos amplificadores de tensión. Además es sensible a un gran ancho de banda debido a que no tiene mecanismo de ganancia.

En la juntura de materiales p-n, polarizada reversamente, los electrones son atraídos hacia el lado n, de manera que cuando se genera un par hueco-electrón (por absorción de un fotón) en la región de vaciamiento (depletion), este es arrastrado hacia ese lado (drift).

Si la absorción ocurre fuera de la región de agotamiento se llama DIFUSION.

El ancho de banda de un fotodiodo p-n, está limitado por su tiempo de tránsito, Ttr. SI W es el ancho de la región de vaciamiento y Ud es la velocidad de arrastre, Ttr está dado por:

La unión p-n presenta un problema grave para utilizarla como fotodetector encomunicaciones ópticas, debido al tiempo de difusión de los portadores generados fuera de la zona de unión, con tiempos del orden del nano segundos. Una manera de disminuir la contribución de la difusión de portadores es hacer la zona de unión muy grande.

En este caso, la zona de la unión se ensancha mediante la adición de un material intrínseco o ligeramente dopado entre las zonas p y n. Con ello conseguimos una zona de transición extensa que favorece la absorción de fotones y su conversión a corriente útil. En principio, este dispositivo, que aparece de forma esquemática en la figura 3.10, puede funcionar bajo las mismascondiciones que el fotodiodo p-n, y presentan una serie de ventajas sobre éstos:

• Aumenta la probabilidad de absorción de fotones dado el significativo aumento del volumen de material absorbente.

• El ensanchamiento de la zona de transición disminuye la capacitancia de la misma, con lo que la respuesta del dispositivo será más rápida por la reducción de la constante de tiempo RC.

• Pueden conseguirse tiempos de respuesta del orden de decenas de ps, correspondiente a anchos de banda de .50 GHz.


Existen una serie de consideraciones a tener en cuanta cuando trabajemos con este tipo de fotodiodos según la configuración indicada en el apartado anterior. Cuando el P-I-N opera en modo fotoconductivo tiene problemas para niveles de iluminación bajos, pues la corriente térmica generada es una fuente bastante importante de ruido. Para niveles de luz suficientes, esto no representa ningún inconveniente y la respuesta es más rápida que si opera en modo fotovoltaico.

En este modo, con una menor corriente de oscuridad ofrece una buena sensibilidad a bajos niveles de luz. El inconveniente en este caso es la baja foto corriente generada, lo que hace que requiera una inmediata amplificación.

Las diferencias con el caso anterior en cuanto a sus características ópticas y eléctricas son mínimas, la forma más habitual de emplearlos es en el modo fotoconductivo, lo que hace que los parámetros suministrados se refieran a éste principalmente.

PIN FOTODIODO DE SILICIO CON TIEMPO DE CONMUTACIÓN MUY CORTO


CARACTERÍSTICAS ESPECIALMENTE ADECUADO PARA APLICACIONES DE 400 nm A 1100

nm (SFH 203) Y DE 880 nm (SFH 203 FA) CORTO TIEMPO DE CONMUTACIÓN (TÍPICO 5 ns) 5MM PAQUETE DE PLÁSTICO LLEVADO TAMBIÉN DISPONIBLE EN LA CINTA Y CARRETE

APLICACIONES ELECTRÓNICA INDUSTRIAL PARA LOS CIRCUITOS DE CONTROL Y LA UNIDAD FOTOELÉCTRICOS SISTEMAS DE TRANSMISIÓN DE FIBRA ÓPTICA

SENSIBILIDAD ESPECTRAL RELATIVA

Fotodetector APD (AvalanchePhotodetector)


Esta clase de fotodiodos genera una cascada de portadores en movimiento a partir de laincidencia de un fotón, con lo que amplifican la señal durante el proceso de foto detección.

En su forma básica, un APD es un diodo P-I-N con una fuerte polarización inversa (puede llegar a ser del orden de miles de Voltios frente a los .3V de un fotodiodo convencional). La principal diferencia estructural es que la zona intrínseca se dopa ligeramente de tipo p y se la renombra como capa π. Típicamente es más ancha que una zona i y se diseña de forma que el campo eléctrico a través de ella sea lo más uniforme posible, como se ve en la figura 3.12.

Los fotones atraviesan la unión n+ p (que se fabrica muy delgada) y son absorbidos en la capa π, donde se generan los pares electrón – hueco. El potencial eléctrico en esta capa es suficiente para arrastrar a los portadores hacia los contactos eléctricos. En las proximidades de la unión n+ p el campo eléctrico es tan intenso (figura 3.12) que los


electrones son fuertemente acelerados con lo que aumenta su energía. Cuando estos electrones rápidos colisionan con los átomos de la red cristalina, se generan nuevos pares electrón – hueco, proceso conocido como ionización por colisión. Estos pares de portadores así generados también son acelerados con lo que tanto los electrones como los huecos pueden contribuir al proceso de multiplicación.

El problema que se encuentra es ¿cuándo se detiene el proceso, para controlar el proceso de avalancha, lo que se suele hacer es diseñar los dispositivos de forma que sólo uno de los portadores sea capaz de ionizar, de forma que al cabo de cierto tiempo todos esos portadores alcanzan la parte n de la zona de transición (p en el caso de huecos).

Así pues, resumiendo las características de los APD, se puede decir que la altasensibilidad es uno de los motivos fundamentales para su utilización, pues un solo fotón puede generar una señal detectable por el circuito asociado. La velocidad de respuesta va a estar limitada, como en casos anteriores, por el tiempo del transitorio y los efectos RC. La reducción de la capacitancia es un factor que contribuye al aumento de la velocidad, pero hay que tener en cuenta el tiempo de generación de la avalancha, que es un valor intrínsecamente aleatorio lo que hace del APD un dispositivo intrínsecamente ruidoso. Máxime teniendo en cuenta que la avalancha afecta a todos los electrones libres, incluidos los generados térmicamente. También las altas tensiones de polarización pueden causar episodios de ionización espontánea, lo queincrementa aún más el ruido.

Este tipo de fotodiodo estará especialmente indicado en aquellas aplicaciones en las que la sensibilidad sea lo más importante, como por ejemplo en aquellas en que se requiera un área extensa de detección o efectuar ésta a larga distancia. Sin embargo, si lo que se pretende es aunar la velocidad con la sensibilidad, es más útil utilizar fotodiodos P-I-N con preamplificación.

El fotodiodo APD se polariza fuertemente, siendo el campo eléctrico de la unión lo suficientemente grande para acelerar los fotones de carga y adquirir suficiente energía para más aceleración de lo que él lograría por un proceso de ionización. El fotodiodo APD puede tener una estructura y geometría que maximice la absorción de fotones.

Estos fotodiodos APD pueden elegirse entre diferentes modelos y tipos, como:

APD de silicio (longitudes de onda de hasta 1100 nm). APD de InGaAs/InP (longitudes de onda para 1300 nm). APD de germanio (para 1300 nm). APD de InGaAs/InP con GaAs-FET (para 1300 nm).

La ganancia de un APD tiene influencia sobre el ancho de banda. El máximo ancho de banda se da para ganancia 1. Con ganancias más elevadas, el ancho de banda se reduce debido al tiempo necesario para que se forme la fotoavalancha.


Este diodo está conformado por una capa intrínseca, casi pura, de material semiconductor, introducida entre la unión de dos capas de materiales semiconductores tipo n y p.

Los dos diodos más usados.-

Los tipos de fotodiodos que se emplean son el fotodetector PIN y el fotodiodo de avalancha (APD). La responsividad de un fotodiodo de avalancha es mayor que la de un fotodetector PIN. Sin embargo, el primero es más sensible a los cambios de temperatura y más caro que el segundo. El detector PIN se usa más comúnmente en enlaces de corta distancia y el ADP es muy útil entransmisiones de larga distancia, donde la señal óptica de llegada es muy débil y se requiere alta responsividad. Por lo que se refiere a la velocidad de respuesta, ambos fotodiodos pueden trabajar actualmente a velocidades muy altas de transmisión digital.

Cuadros Comparativos entre PIN y APDs


Como regla general puede decirse que los receptores APD deben ser utilizados para enlaces largos y los PIN-FET para enlaces medios.

RECEPTOR NIVEL DE SENSIBILIDAD

VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN

LONGITUD DE ONDA

PIN -34 dBm 2 a 34 Mbps 1a y 2a ventana

PIN-FET -53 dBm

-47 dBm

2 Mbps

34 Mbps

2a y 3a ventana

APD -56dBm

-50 dBm

2 Mbps

34 Mbps

2a y 3a ventana


Dispositivo Si Ge InGaAs

Long. de onda (nm) 600:900 1100:1500 1200:1600

Ventana 1era 2da 2da 3raSensibilidad típica del

receptor (dBm) (para un BER=10E-09 a velocidad de

34 Mbps)

-51 -45 -45

Las características difieren entre los diodos PIN Y APD

Costo

Los diodos APD son más complejos y por ende más caros

PIN vs APDPhotoMax-200/PIN

Photomax 200 Integración diodo amplificador de fotos con diodo PIN Headstage.Headstage está configurado para identificación global con PIN-08-GL y lente de enfoque. Incluye traductor de tres ejes y un adaptador de montura C

$ 12,850.00

PhotoMax-200/APD

Photomax 200 Integración diodo amplificador de fotos con dos etapas de refrigeración Peltier Foto diodo Avalancha headstage. Incluye traductor de tres ejes y un adaptador de montura C

$ 15,900.00

PHM-PIN Integración Headstage con diodos PIN. (Incluye PIN-08-GL y lente de enfoque)

$ 1,995.00

PHM-APD Integración Headstage con dos etapas Peltier enfriado Avalancha Foto diodo

$ 4,900.00

PIN-08-GL Montado HR-008 fotodiodo configurado para la detección mundial

$ 195.00

Sensibilidad

Tanto en los fotodiodos PIN y APD son de alta sensibilidad, pero los PIN-FET son aún más sensibles como los APD.

Rendimiento

Alto rendimiento y conversión opto-eléctrica

COMBINACIÓN EMISOR-RECEPTOR SEGÚN LONGITUD DE ONDA

Tipo de Fibra Tipo de Emisor Tipo de Receptor

Lambda 850 nm

Fibra multimodo (gradiente inducido).

Emisores LED (GaAs) o Láser.

Receptores PIN de silicio.

Lambda 1300 nm

Fibra multimodo o monomodo.

Emisores Láser (GaInAsP).

Receptores PIN de InGaAs.

Lambda 1550 nm

Fibra monomodo (tipo NZD). Emisor Láser.

Receptores APD (GaInAsP).


Combinación Emisor-Receptor

En forma orientativa es posible indicar ciertas combinaciones de elementos emisores y convertidores ópticos, según la longitud de onda a utilizar:

Lambda 850 nm

Fibra multimodo (graded index). Emisores LED (GaAs) o Láser. Receptores PIN de silicio.

Lambda 1300 nm

Fibra multimodo o monomodo. Emisores Láser (GaInAsP). Receptores PIN de InGaAs.

Lambda 1550 nm

Fibra monomodo (tipo NZD). Emisor Láser. Receptores APD (GaInAsP).

Receptor

La siguiente figura nos muestra el diagrama a cuadros un receptor defibras ópticas.

Diseño de receptores ópticos


Este diseño de receptores se divide en tres partes fundamentales

Front End (Entrada) Canal Lineal Recuperación de Datos

El receptor de un sistema de comunicaciones ópticas se diseña de acuerdo al tipo de señal que le va a llegar: si es digital, analógica o si es detección directa o coherente. En la gran mayoría de los casos los receptores se diseñan para sistemas digitales de detección directa, cuyo esquema más general consta de tres partes, tal y como se muestra en la figura 3.13. Se hará enfoque en la primera etapa.

Primera etapa (Front End)

La primera etapa, también denominada receptor óptico, consta de un fotodiodo y unpreamplificador, que amplifica la señal generada por el fotodiodo para su posterior tratamiento.

La primera etapa necesita un diseño adecuado porque el ruido que introduzca el preamplificador representa la mayor contribución de todos los amplificadores que haya en cascada, y porque se necesita una gran amplificación sin que se limite el ancho de banda, lo cual es complicado.

Segunda etapa, canal lineal

Después de que la señal ha sido detectada y preamplificada se pasa al canal lineal, donde existe un amplificador con control automático de ganancia y un filtro paso bajo. El control automático de ganancia está para que el sistema de decisión reciba un mismo


valor de potencia medio independientemente del valor de potencia incidente en el detector. El filtro paso bajo está para reducir el ruido al máximo (el ruido depende del ancho de banda), por lo que modificará la forma del pulso y creará algo de ISI (intersymbol interference) (el valor de Δf que va a dejar pasar el filtro es incluso menor que la tasa de transmisión, siendo el límite último que limita el ancho de banda del sistema).

Tercera etapa, recuperación de datos

El sistema de decisión recupera el reloj de la comunicación tratando de aislar lacomponente de frecuencia f de la señal recibida, lo que aporta información sobre el tiempo de bit o bit slot. Esta recuperación de reloj no es sencilla de realizar, sobre todo en modulación NRZ.

No obstante se suelen modificar los datos antes de transmitirse para que haya suficientestransiciones y el reloj se pueda recuperar de forma satisfactoria.El circuito de decisión compara la salida del canal lineal con un valor umbral y decide sihay un bit ‘1’ o ‘0’ en un intervalo. Es importante, dentro de este valor de tiempo de bit saber en qué tiempo es mejor realizar la comparación. Una manera de saberlo es a través del diagrama de ojo, formado al superponer secuencias de 2-3 bits en las cuales queda una región de máxima separación entre señales. Ese momento es el mejor para realizar la comparación. El diagrama de ojo también da una idea gráfica y rápida de si la comunicación se está comportando adecuadamente.

Ruido en Receptores Ópticos


Para estudiar con mayor detenimiento el receptor de un sistema de transmisión óptica es necesarioanalizar de forma conjunta todas las fuentes de ruido que hemos mencionado en los apartados anteriores.

Debemos tener presente que lo que se va a presentar en este capítulo no es aplicable de formageneralista ya que la importancia de cada una de las fuentes de ruido va a ser dependiente del método demodulación de la señal y del tipo de dispositivo utilizado para la detección.Aún no hemos analizado los distintos tipo de modulación, a ello dedicaremos el tema\REF{SISTRANS},de todas formas adelantamos que vamos a estudiar principalmente los parámetros aplicables en deteccióndirecta aunque serían extrapolables a detección coherente.En la figura 7.2 se enumeran las distintas fuentes de ruido en un receptor y la zona en la que selocalizan. La mayoría de estas fuentes de ruido pueden aplicarse tanto a fotodiodos pn, pin y apd’s.El ruido debido a la radiación ambiente, que es importante en los sistemas de transmisión eléctrica y en radio frecuencia es despreciable en los sistemas de fibra óptica, pero las demás fuentes si hay quetenerlas en cuenta.

El caso más complejo es en el que aparece el fotodiodo de avalancha debidoa la naturaleza aleatoriade mecanismo de ganancia interna.

Características de ruido

El dispositivo también genera una corriente aleatoria que fluctúa en torno a su valor

medio, y estas fluctuaciones pueden llegar a ser críticas cuando en nuestra aplicación tengamos bajos niveles de luz. Entre las posibles fuentes de ruido, podremos encontrar la llegada de fotones no deseados al detector, la generación espontánea de pares eh (corriente de oscuridad), ruido de ganancia y el ruido asociado a los circuitos electrónicos del receptor. Al ruido dedicaremos un apartado especial al final de este capítulo.

En sistemas de comunicaciones ópticas el fotodiodo se espera que funcione con bajapotencia de luz incidente. Por eso es muy importante tener información acerca del ruido que va a estar presente en el receptor (el sistema receptor consiste en el fotodiodo


más la electrónica asociada). Por lo tanto, el sistema receptor ha de estar optimizado para mantener una relación señal a ruido determinada:

Se puede también definir la sensibilidad del receptor como la mínima potencia óptica para conseguir una determinada relación señal a ruido. Los mecanismos fundamentales de generación de ruido en fotodetectores son el ruido cuántico o de disparo (shot noise) y el ruido térmico.

También existen otros tipos de ruido menos importantes como la corriente de oscuridad (ruido generado por el fotodetector en ausencia de luz) o la corriente de fugas superficial.

-El ruido cuántico aparece porque la fotogeneración de portadores es en sí un procesoaleatorio.

-El ruido térmico (también ruido de Johnson) aparece porque en cualquier elemento de un circuito los electrones sufren movimientos aleatorios, que inducen una corriente aleatoria incluso en la ausencia de luz. El elemento que más influye en la generación de esta corriente aleatoria que se superpondrá a la que genera el diodo será la resistencia de carga.

CONCLUSIONES:

Los foto diodos APD son mucho más sensibles que los fotodiodos diodos PIN y requieren de menos amplificación adicional.

Las desventajas de los APD son los tiempos de transición, relativamente largos y ruido adicional internamente generado, debido al factor de la multiplicación de avalancha.

Los receptores PIN y APD según el material que se use varia las características de los mismos dando como resultado diferentes tipos de longitudes de onda.

Los receptores PIN y APD también sirve para demostrar en que ventana de trabajo de las longitudes de onda esta.

BIBLIOGRAFIA:

http://www.dagan.com/photomax-200.htm

http://www.dsif.fee.unicamp.br/~moschim/cursos/simulation/introduccion.htm

http://platea.pntic.mec.es/~lmarti2/optral/cap2/fibra-8.htm

Photomax 200


http://platea.pntic.mec.es/~lmarti2/optral/cap2/fibra-8.htm

http://www.dsif.fee.unicamp.br/~moschim/cursos/simulation/introduccion.htm

http://www.dagan.com/photomax-200.htm

Fotodiodo SISTEMA DE DETECCIÓN

La integración de bajo nivel de ruido del sistema detector óptico para eventos evocados y de detección de calcio

Una alta velocidad (de alta frecuencia de muestreo), bajo nivel de ruido, sistema de Fotometría dedicado (fotodiodo) usando mediciones de fluorescencia para la adquisición de imágenes de series de tiempo rápido de la preparación biológica

Aplicaciones: Características:

· Detección (confocal) de transitorios de Ca localizadas

· Detección Móvil de transitorios de Ca (global), los cambios de pH, cambios en la dispersión de la luz, birrefringencia, dicroísmo, etc.

· Cambios de fluorescencia relacionadas con sondas dirigidos al sitio: FRET y LRET

· Las señales de absorbancia o fluorescencia reportados por colorantes potenciométricos

· Cambios en la intensidad de fluorescencia reportados por algunas moléculas, o

· Seguimiento y mantenga presionado para restar corriente de fondo

· Hasta 300 voltios de tensión de polarización del diodo (diodo de avalancha)

· Ultra baja corriente al convertidor de voltaje de ruido (integración pura e integración mixta)

· RMS de ruido metros

· Control de ganancia local y remoto


molécula única (recuento de fotones)

· Defectos de detección gratuita de señales ópticas asociadas con flash inducida Photo-liberación de moléculas bioactivas (fotólisis flash)

· Un polo filtro de Bessel

· Externo restablece controlable para el modo de integración. Permite la entrada de supresión del artefacto Flash

Ventajas:

· Bajo ruido, alta sensibilidad

· Instrumento dedicado con diodo detector de fotos, y amplificador en un solo Headstage

· Bajo ruido integración actual al convertidor de voltaje

· Rentable

Dos tipos Headstage:

· Diodo PIN amplificador de corriente. Viene de fábrica configurado para detección de luz global (lente de enfoque ajustable dirige toda la luz disponible en el área de visualización de diodos foto). También disponible pin 30 o 50 micras escondido PIN fotodiodos para la detección in situ

· APD, Avalancha Foto diodo (dos etapas refrigerado Peltier)

Cada Headstage viene con fotodiodo y bajo nivel de ruido integrar convertidor de corriente a voltaje.

PIN fotodiodo vs PMT (fotomul tiplicador) PIN fotodiodo vs APD


c web viewsistemas de comunicación por . fibra óptica. docente: ing. félix...

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