UNIVERSIDAD DE AQUINO BOLIVIA

UDABOL

NOMBRES : Cristhian Gerardo Apaza Castro

Miguel Angel Conza Alcon

Jose Antonio Rada Loma

MATERIA : Sistemas de transmisión por fibra optica

DOCENTE : Felix Pinto

SEMESTRE : Octavo

FECHA : 29/09/15

RECEPTORES OPTICOS1. INTRODUCCIONEl receptor en un sistema de comunicación por fibra óptica para transmisión no coherente. Así pues el receptor convierte una señal óptica en una eléctrica de forma directa que es posteriormente procesada.Básicamente, el detector es un dispositivo que convierte fotones en electrones, un receptor se compone de un detector y de los circuitos necesarios asociados que lo capaciten para funcionar en un sistema de comunicaciones ópticas, transformando señales de frecuencias ópticas a frecuencias inferiores, con la mínima adición de ruido indeseable y con un ancho de banda suficiente para no distorsionar la información contenida en la señal (analógica o digital).

2. RECEPTOR OPTICO

El receptor es probablemente el elemento más crítico de un sistema de Comunicaciones Ópticas por Fibra. Suele además emplearse como referencia para el diseño del sistema completo.

Un detector ideal debería tener:

• Alta sensibilidad en la región de trabajo para la que se diseña

• Alta fidelidad: reproducción exacta de la señal óptica en un amplio margen

• Alta respuesta eléctrica: alto rendimiento cuántico

• Bajo tiempo de respuesta: gran ancho de banda

• Bajo ruido

• Estabilidad frente a alteraciones de las condiciones ambientales

• Baja tensión de funcionamiento

• Pequeño tamaño, compatible con la conexión a la fibra

• Fiabilidad

• Bajo coste

Los receptores ópticos son dispositivos que transforman las señales ópticas en señales eléctricas, en concreto es el fotodetector el encargado de esta transformación.

Una configuración básica es el receptor de detección directa, el fotodetector convierte el flujo de los fotones incidentes en un flujo de electrones. Después esta corriente es amplificada y procesada. Existen dos tipos de fotodiodos usuales para recepción óptica, fotodiodo PIN y fotodiodo de avalancha APD.

Receptor óptico con detección directa

En la práctica, para los receptores de detección directa con fotodiodos PIN, el factor limitante de la sensibilidad del receptor es el ruido térmico, generado en la salida del fotodiodo. Existe dos alternativas para superar esta limitación, una es el uso de fotodiodo de avalancha APD, donde el mecanismo de multiplicación de la corriente fotogenerada en el fotodiodo amplifica la señal fotodetectado. La segunda alternativa es la utilización de un pre-amplificador óptico antes del fotodetector, para amplificar la señal óptica antes de la detección.

Receptor óptico con detección directa utilizando un pre-amplificador óptico

En la siguiente figura se muestra un diagrama en bloques de un receptor óptico, para un sistema digital con detección directa, el componente clave es el detector de luz.

Diagrama de bloques de un receptor óptico básico con detección directa

El receptor consta de:

Un filtro óptico, encargado de eliminar ruido y de seleccionar el canal adecuado.

Un fotodetector, elemento encargado de generar una corriente eléctrica proporcional a partir de una potencia óptica.

Un amplificador Front-end, que amplifica la señal eléctrica.

3. FILTRO OPTICO

Un filtro óptico es un dispositivo capaz de seleccionar una banda de longitudes de onda y eliminar el resto. Su principal aplicación es la de eliminar el ruido, introducido por los amplificadores ópticos de la etapa de transmisión óptica.Existen una gran variedad de dispositivos ópticos que pueden trabajar como filtros. es un dispositivo capaz de seleccionar una banda de longitudes de onda y de eliminar el resto. Las principales aplicaciones de los filtros ópticos, que lo convierten en un dispositivo clave en los sistemas de comunicaciones ópticas son:•  la eliminación del ruido, introducido por ejemplo por los amplificadores ópticos.•  la ecualización de la respuesta de los amplificadores ópticos•  la selección de canales en sistemas WDM.Para realizar estas aplicaciones de forma óptima estos dispositivos deben tener unas pérdidas de inserción reducidas. Idealmente, su banda de paso debe ser plana para evitar así la distorsión de la señal. Además la banda de transición de su repuesta debe ser abrupta para evitar la diafonía con los canales próximos. También es necesario que su comportamiento sea independiente de la polarización de la señal.

4. FOTODETECTORES

Son diodos semiconductores que operan polarizados inversamente. Durante la absorción de la luz, cuando un fotodetector 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 y por lo tanto se requiere de una amplificación para manipular adecuadamente la señal.

Los fotodetectores con mayor sensibilidad, de rápida respuesta, con poco ruido, alta fiabilidad y bajo costo, son aquellos que utilizan fotodiodos PIN y APD.

4.1Fotodiodo PIN

Está figura muestra que el diodo se fabrica uniendo capas de materiales de los

tipos P y N mediante un material intrínseco. En la tecnología de los

semiconductores, un material semiconductor intrínseco. En la tecnología de los

semiconductores, un material semiconductor intrínseco es puro, es decir, no tiene

impurezas.

Un material intrínseco, por ejemplo el silicio, es un semiconductor. Este material no

conduce bien la electricidad, pero tampoco es un buen aislante y, por lo tanto, sin

la introducción de una luz infrarroja por la ventanilla, el diodo estará en la

condición de corte aunque esté polarizado directamente como se muestra en la

figura anterior.

Cuando entra luz infrarroja por la ventanilla hacia la zona intrínseca, los fotones de

la luz chocan contra los átomos del material intrínseco y producen electrones

libres. Estos electrones libres convierten el material intrínseco en un conductor

razonablemente bueno y, por lo tanto, el diodo conduce.

El fotodiodo PIN es el detector más importante utilizado en los sistemas de

comunicación óptica. Es relativamente fácil de fabricar, altamente fiable, tiene bajo

ruido y es compatible con circuitos amplificadores de baja tensión. Además, es

sensible a un gran ancho de banda debido a que no tiene mecanismo de

ganancia. Unas zonas p y n altamente conductivas junto a otra intrínseca poco

conductiva, caracterizan al diodo PIN. Los fotones entran a la zona intrínseca

generando pares electrón-hueco. El diodo se polariza inversamente con el fin de

que las cargas generadas en la zona intrínseca sean aceleradas por el campo

eléctrico presente.

Los fotodiodos p-i-n se caracterizan por su fácil fabricación, su alta fiabilidad, bajo ruido. Su ancho de banda es muy elevado. En la siguiente tabla se muestran los valores de las principales características de los tres tipos de fotodiodos p-i-n más comunes.

Parámetro Símbolo Unidad Si Ge InGaAs

Longitud de onda Λ μm 0.4-1.1 0.8-1.8 1.0-1.7

Responsividad R A/W 0.4-0.6 0.5-0.7 0.6-0.9

Eficiencia Η % 75-90 50-55 60-70

Corriente de oscuridad Id nA 1-10 50-500 1-20

Tiempo de subida Tr ns 0.5-1 0.1-0.5 0.05-0.5

Ancho de banda Δf GHz 0.3-0.6 0.5-3 1-5

4.2 Fotodiodo de avalancha APD

Los fotodiodos APD son 10 veces más sensibles que los diodos PIN y requieren

de menos amplificación adicional. Su desventaja radica en los tiempos de

transición son muy largos y su vida útil es muy corta.

A diferencia de los diodos PIN los APD operan a tensiones inversas lo

suficientemente elevadas como para que cuando los portadores sean en el campo

eléctrico, colisiones con otros átomos que componen la estructura cristalina del

semiconductor. Las colisiones ionizan los átomos, produciéndose nuevos pares

electrón-hueco. Esta ionización por impacto nos determina la ganancia interna del

dispositivo o ganancia de avalancha.

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).

Los fotodiodos de avalancha al multiplicar la fotocorriente generada en la unión pn consiguen un aumento de la sensibilidad con respecto a los fotodiodos p-i-n. En la siguiente tabla se comparan los valores de las principales características de los fotodiodos de avalancha de Si, Ge e InGaAs.

Parámetro Símbolo Unidad Si Ge InGaAs

Longitud de onda λ µ m 0.4-1.1 0.8-1.8 1.0-1.7

Responsividad R A/W 80-130 3-30 5-20

Ganancia APD M - 100-500

50-200 10-40

Corriente de oscuridad Id nA 0.1-1 50-

500 1-5

Tiempo de subida tr ns 0.1-2 0.5-0.8 0.1-0.5

Ancho de banda Δf GHz 0.2-1.0 0.4-0.7 1-3

4.3 Características comparativas entre los diodos PIN y APDCosto. 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.

Otras consideraciones que deben tenerse en cuenta los detectores son:

a. La obtención de una potencia lumínica pequeña que sea detectable con una tasa de error (BER) determinada se logra con convertidores que posean bajo ruido y una sensibilidad determinada en el área espectral deseada.

Tal sensibilidad está constituida por la potencia óptica mínima que es capaz de recibir, garantizando una tasa de error BER determinada.

PIN vs APDhttp://cord.org/cm/leot/Module8/module8.htm

b. Para la velocidad de transmisión que se pretende utilizar, el dispositivo convertidor deberá poseer una velocidad de reacción muy grande.

4.5 Detectores PIN-FET

Es un receptor que reúne las funciones de detector y amplificador o preamplificador en un mismo circuito integrado. El circuito amplifica la señal eléctrica antes del ruido provocado por la resistencia de carga aumentando la potencia de salida. Este tipo de circuitos también convierten la señal de corriente del fotodiodo en señal de voltaje, de modo que el nivel de voltaje es compatible con etapas de amplificación de la señal.

5. AMPLIFICADOR FRONT-END

En un receptor la función principal es la de amplificar la señal antes de ser detectada por el fotodetector para mejorar así la relación señal-ruido.

La señal óptica es acoplada hacia el fotodiodo, la que es convertida en señal eléctrica.

El preamplificador aumenta la señal eléctrica para facilitar el proceso posterior.

El diseño de esta etapa del receptor requiere transar entre velocidad y sensibilidad.

5.1 Amplificador óptico

En fibra óptica, un amplificador óptico es un dispositivo que amplifica una señal óptica directamente, sin la necesidad de convertir la señal al dominio eléctrico, amplificar en eléctrico y volver a pasar a óptico.

5.2 Amplificadores de fibra dopada

Amplificadores en fibra son amplificadores ópticos que usan fibra dopada, normalmente con tierras raras. Estos amplificadores necesitan de un bombeo externo con un láser de onda continua a una frecuencia óptica ligeramente superior a la que amplifican.

Típicamente, las longitudes de onda de bombeo son 980 nm o 1480 nm y para obtener los mejores resultados en cuanto a ruido se refiere, debe realizarse en la misma dirección que la señal.

Un amplificador óptico es capaz de amplificar un conjunto de longitudes de onda

6. RELACION SEÑAL A RUIDOLa capacidad de un receptor óptico para detectar señales de luz débiles depende de su sensibilidad y en particular del ruido propio. Los agentes causantes del ruido son la señal óptica, el diodo en sí y el circuito eléctrico que le sigue. El límite en cuanto a detección se da cuando la suma de todas las corrientes de ruido (cuántico, de la corriente de oscuridad, granular, térmico) iguala a la corriente de la señal a la salida del receptor. Esta potencia equivalente al ruido suele ser sin embargo menos importante que la potencia óptica (mínima) requerida para garantizar la deseada relación señal/ruido o tasa de error.

Pueden presentarse alguna o todas las fuentes de ruido siguientes:

Ruido granular en la corriente media de la señalExceso de ruido granular en la corriente media de la señal, debido al ruido en la multiplicación de avalancha.Ruido creado por la corriente de oscuridad del detector. Ruido procedente del amplificador.

6.1 Ruido En Un Fotodetector

Hay 3 tipos principales de ruido en un fotodetector:

Ruido cuántico o de impacto de la fotocorriente generada: este ruido se debe a la llegada aleatoria de fotones al fotodetector y de esta manera a la generación y colecta aleatoria de electrones.

Ruido de impacto de la corriente de obscuridad: este es debido a los pares electrón hueco que son generados térmicamente en la unión pn del

fotodiodo. En un APD estos son multiplicados por el mecanismo de avalancha.

Ruido térmico o Johnson: se debe a las fluctuaciones aleatorias de la corriente, debido al movimiento aleatorio, inducido térmicamente, de los electrones dentro de un conductor.

CONCLUSIONES

Los foto diodos APD son mucho más sensibles que los fotodiodos diodos PIN y requieren de menos amplificación adicional. Sin embargo las desventajas de los APD son los tiempos de transición que son relativamente largos y ruido adicional internamente generado, debido al factor de la multiplicación de avalancha.

También podemos decir que 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.

BIBLIOGRAFIA

https://sciatel.wikispaces.com/RECEPTORES+OPTICOS

http://garciaargos.com/descargas/apuntes/5curso/ComunicacionesOpticas2/Detectores.pdf

http://www.iuma.ulpgc.es/users/jrsendra/Docencia/Com_Opt_I/download/Com_Opt_I/Temario/deteccion.pdf