MARIA TERESA GALLANTY MORA
C.I 17811007
C.I 17811007
CAF
DETECTORES ÓPTICOS
El detector convierte la señal óptica que procede de la fibra en señal eléctrica como primera parte del proceso de recepción; a continuación, la señal se regenera, bien para llevarla a un equipo terminal o para ser incorporada a la siguiente etapa de un repetidor óptico.
Los sistemas que operan actualmente, incorporan la detección directa de una señal que moduló en intensidad a la portadora de la fuente láser; el detector se limita a obtener una fotocorriente a partir de la luz modulada incidente, por lo que esta corriente será proporcional a la potencia recibida y corresponderá a la forma de onda de la moduladora.
En principio, el tipo más sencillo de detector corresponde a la unión p-n de un semiconductor cuyo intervalo de energía entre las bandas de valencia y de conducción sea pequeño, lo que permitirá que un fotón que incida en la unión tenga suficiente energía para permitir la creación de un par electrón-hueco. Ambos portadores circularán en sentidos opuestos, creando una fotocorriente sobre el circuito externo.
En sistemas con fibra óptica se utilizan básicamente dos tipos de semiconductores detectores de luz: fototransisitores y fotodiodios.
Fototransitores:
A pesar de poseer buena sensibilidad, no posibilitan altas velocidades de transmisión, lo que limita su aplicación.
Fotodiodios:
Los Fotodiodos son diodos semiconductores que operan polarizados inversamente. Durante la absorción de la luz, cuando un fotodiodo es iluminado, las partículas de energía luminosa, también llamadas fotones, son absorbidas generando pares electrón-hueco, que en presencia de un campo eléctrico producen una corriente eléctrica.
Estos dispositivos son muy rápidos, de alta sensibilidad y pequeñas dimensiones. La corriente eléctrica generada por ellos es del orden de los nanoamperios (10 –9 A) y por lo tanto se requiere de una amplificación para manipular adecuadamente la señal.
Los fotodiodos utilizados actualmente son:
PIN (Positivo – Intrínseco – Negativo)
APD (Fotodiodo de Avalancha)
Fotodiodo PIN
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. Se aplica una tensión de polarización inversa.
Los elementos más utilizados en la fabricación de este tipo de detectores son el Germanio y últimamente se utiliza el GaAs, GaInAs, InP, con resultados muy buenos.
Los diodos PIN requieren bajas tensiones para su funcionamiento, pero deben utilizar buenos amplificadores. Presentan tiempos de vida relativamente altos. Que podrían reducir únicamente por factores externos y son los más indicados para el uso en la segunda y tercera ventana de transmisión (1300 y 1550 nm).
Fotodiodo APD (Avalancha)
Los fotodiodos de avalancha son una estructura de materiales semiconductores, ordenados en forma p-i-p-n.
Debido al gran campo eléctrico generado por la polarización inversa, los electrones adquieren velocidades muy altas y al chocar con otros electrones de otros átomos, hacen que éstos se ionicen. Los átomos ionizados ionizan a su vez otros átomos, desencadenando un efecto de avalancha de corriente fotoeléctrica.
Los fotodiodos APD son 10 veces más sensibles que los diodos PIN y requieren de menos amplificación adicional. Su desventaja radica en que los tiempos de transición son muy largos y su vida útil es muy corta.
Los fotodiodos APD de Silicio presentan ruido bajo y un rendimiento hasta del 90% trabajando en primera ventana. Su factor de ganancia, M, es alto (de 50 a 150) y no es crítico, porque la ganancia del receptor es fácilmente controlable mientas el factor F sea bajo.
Su sensibilidad es casi inversamente proporcional a la velocidad binaria, típicamente de –64 dBm a 8 Mb/s y –50 dBm a 140 Mb/s y el tiempo medio entre fallas es de 107 horas. La corriente de oscuridad es relativamente baja: a 25 °C está entre 1 y 5 nA. En cuanto a los anchos de banda obtenidos comercialmente, superan 1 GHz.
Como inconveniente, está su alta tensión de alimentación (200-300 V),
Los fotodiodos APD de germanio trabajan con longitudes de onda comprendidas entre 1000 y 1300 nm y rendimientos del 70% presentan como incoveniente el ajuste y control de factor M que, por cierto, tiene un valor óptimo más bajo (15¸20) que en los de silicio. Se puede prolongar su funcionamiento hasta los 1550 nm, pero necesitan entonces una zona de deplexión próxima a las 10 mm, frente a las 3 ó 4 que son habituales. Además de esto, la aplicación para 1550 nm suele ir acompañada de mayores velocidades de transmisión y en este sentido el APD de germanio es bastante limitado.
De lo indicado en el párrafo anterior, la corriente de oscuridad es alta (del orden de 0,1 mA) y se duplica cada 9 ó 10 °C, afectando a su sensibilidad.
Esta varía, igual que en los de silicio, con el régimen binario, siendo valores habituales los siguientes:
-45 dBm a 34 Mb/s
-40 dBm a 140 Mb/s
-35 dBm a 565 Mb/s
en cuanto a la tensión necesaria para la polarización, es del orden de los 30 V, encontrándose en el mercado fotodiodos de este tipo cuyos anchos de banda alcanzan 1 GHz.
Características comparativas entre los diodos PIN y APD
Costo.- Los diodos APD son más complejos y por ende más caros.
Vida.- Los diodos PIN presentan tiempos de vida útil superiores.
Temperatura.- Los diodos APD poseen velocidades de respuesta mayores, por lo tanto permiten la transmisión de mayores tasas de información.
Circuitos de polarización.- Los diodos PIN requieren circuitos de polarización más simples, pues trabajan a menores tensiones.
Fotodiodos PIN-FET
Para la determinación de la relación señal-ruido de un receptor, la capacidad del detector es decisiva para que aquella sea máxima, y una solución alternativa a los APD en altas longitudes de onda (desde 1500 hasta 1700 nm) la constituye un diodo PIN seguido de un preamplificador de bajo nivel de ruido, aunque se puede utilizar desde los 800 nm con un rendimiento cuántico más bajo, del orden del 40%.
En cualquier caso, se utiliza una capa muy empobrecida de GaAsIn de unas 3 mm de espesor; la estrechez de esta capa y el bajo tiempo de tránsito de los portadores implica que el componente sea especialmente rápido, con un ancho de banda teórico de 15 GHz, que, por consideraciones relativas al encapsulado del detector, debe limitarse a un máximo de 2 GHz.
Estas configuraciones constituyen detectores optoelectrónicos integrados de gran interés, debido a su mayor ancho de banda y bajo costo y consisten en un fotodiodo PIN de GaAlAs y un circuito amplificador del tipo FET de GaAs integrados monolíticamente, en lugar de utilizar un diodo discreto cableado al transistor de entrada del amplificador, lo que redunda en beneficio de la baja capacidad del conjunto.
Características típicas de diodos PIN-FET
Longitud de Onda | 850-900 | 1300-1550 |
Materiales Capacidad de entrada (pF) Corriente de oscuridad Sensibilidad a 140 Mb/s (dBm) Rendimientos (%) Tensión de alimentación (V.) | Si 0,1 40 pA -45 40¸970 | InGaAs 0.2 1 mA -44 70¸95 |
En torno a 5 en ambos casos | ||
PARAMETROS DE ELEMENTOS ACTIVOS
DE LOS DETECTORES
1. Eficiencia Cuantica
Promedio de electrones generados por fotón incidente.
2. Sensibilidad Espectral
Relación entre la potencia eléctrica de salida y la potencia óptica incidente.
3. Corriente de Oscuridad
Corriente de salida en el detector en ausencia de radiación óptica.
4. Ancho de Banda Optico
Anchura espectral correspondiente a una sensibilidad espectral igual o mayor al 50% del valor máximo.
5. Ancho de Banda Eléctrico
Conjunto de frecuencias que, modulando a la radiación óptica, pueden ser detectadas con una potencia igual o mayor al 50% del valor máximo. También se define por los tiempos de subida y caída del impulso eléctrico obtenido como respuesta a un impulso óptico incidente idealmente estrecho (impulso Dirac).
6. Potencia de Ruido Equivalente
Potencia óptica de entrada necesaria para producir una señal eléctrica de salida igual al ruido del fotodetector por unidad de ancho de banda eléctrico.
7. Detectividad
Inverso de la potencia de ruido equivalente.
8. Ganancia
Valor del parámetro que define el efecto multiplicador de corriente en los fotodiodos de avalancha.
9. Apertura de Entrada
Máximo ángulo de incidencia de la luz para el que la superficie detectora aparece totalmente iluminada.
MARIA TERESA GALLANTY MORA
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