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Universidad PolitUniversidad Politéécnica de Madridcnica de MadridETSI TETSI TELECOMUNICACIELECOMUNICACIÓÓNN

Departamento de TecnologDepartamento de Tecnologíía Fota Fotóónicanica

ComunicacionesComunicaciones ÓÓpticaspticas

ReceptoresReceptoresJosJoséé M. OtM. Otóónn

AbrilAbril 20052005

GuiGuióónn

• Receptores•Esquema general•Materiales para detectores•Detección de luz

• Detectores •Unión p-n

•El fotodiodo pin

•El fotodiodo de avalancha (APD)

•Comportamiento dinámico

•Ganancia APD

• Parámetros de los detectores •Rendimiento cuántico

•Responsividad

•Respuesta característica•Recta de carga y punto de trabajo

•Tabla comparativa

•Sensibilidad

• El receptor•Esquema del amplificador•Circuito equivalente de ruido•Fuentes de ruido en detectores•Baja y alta impedancia•Transimpedancia•Relación señal-ruido y BER

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Esquema general de un receptorEsquema general de un receptor

El receptor constituye la parte más crítica de un sistema de CCOO.

El sistema completo de transmisión se diseña a partir del receptor.

Está compuesto por un detector de semiconductor (usualmente un diodo pin), polarizado en inversa, un bloque de amplificación y un bloque de regeneraciónde la señal.

El detector convierte la señal óptica en corriente eléctrica. Ya en el dominioeléctrico, es transformada en una señal de tensión que se amplifica y regenera.

Materiales para detectoresMateriales para detectores

A diferencia de los emisores, los detectores empleanmateriales SC tanto de gap directo como indirecto.

Los materiales de gap directotienen un coeficiente de absorción muy alto a partirdel gap.

Los de gap indirecto (p.ej., Ge) presentan un coeficientemoderado que crecenotablemente al bajar la longitud de onda (paso gap indirecto directo)

A diferencia de los emisores, los detectores empleanmateriales SC tanto de gap directo como indirecto.

Los materiales de gap directotienen un coeficiente de absorción muy alto a partirdel gap.

Los de gap indirecto (p.ej., Ge) presentan un coeficientemoderado que crecenotablemente al bajar la longitud de onda (paso gap indirecto directo)

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Respuesta de un diodoRespuesta de un diodo

[ ])()(

)exp(1)1()()1(

21

0

01

xxxRx

R

útil Φ−Φ=Φ−−−Φ=Φ

−Φ=Φα

x1 x2

Estructura Estructura pinpin y APDy APD

En el pin se prefiere que la luz entre por la cara p porque mejora la respuestadinámica. En el APD se entra por la cara n para acelerar la recolección de ionización secundaria.

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Tiempo de respuestaTiempo de respuesta

l

l

l

hhh

ee

e

ee

eelectrón

vNi

vNtNi

vt

=

==

= /

La forma de los pulsosdepende de la movilidad de losportadores. Así suforma es distintadependiendo del puntode entrada de la luz. Los fotodiodos pin usualmente aceptan la luz por la cara p, paramejorar la recolecciónde huecos, más lentos.

La forma de los pulsosdepende de la movilidad de losportadores. Así suforma es distintadependiendo del puntode entrada de la luz. Los fotodiodos pin usualmente aceptan la luz por la cara p, paramejorar la recolecciónde huecos, más lentos.

Ganancia APDGanancia APD

Los fotodiodos de avalancha APD funcionan a tensiones altas. Su ganancia varía:• con la temperatura, porque la agitación térmica favorace la recombinación reduciendo la multiplicación• con la longitud de onda, puesto que el par primario generado es el mismo siempre que λ sea menor que la λ del gap.

• A tensiones muy altas entra en ruptura Zener y la ganancia se hace infinita (produce corriente sin luz).

Los fotodiodos de avalancha APD funcionan a tensiones altas. Su ganancia varía:• con la temperaturatemperatura, porque la agitación térmica favorace la recombinación reduciendo la multiplicación• con la longitudlongitud de de ondaonda, puesto que el par primario generado es el mismo siempre que λ sea menor que la λ del gap.

• A tensionestensiones muymuy altasaltas entra en ruptura Zener y la ganancia se hace infinita (produce corriente sin luz).

Tensión (V)

0 100 200 300 400 500

1000

100

10

1

M

λ

Tensión (V)

0 100 200 300 400 500

1000

100

10

1

M

T

Rupt

ura

Zene

r

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La Responsividad es una medida del rendimiento de un fotodetector. Se expresa en A/W y está relacionadacon el rendimientocuántico.

La Responsividad es una medida del rendimiento de un fotodetector. Se expresa en A/W y está relacionadacon el rendimientocuántico.

Rendimiento cuRendimiento cuáántico y responsividadntico y responsividad

ehc

eh

heI

incidentesfotonesproducidose

λν

νη ℜ=ℜ=

Φ==

−

//

Responsividad de un fotodetectorde silicio

Responsividad de un fotodetectorde silicio

El rendimiento cuántico es casi independiente de la longitud de onda en un rangoamplio. Por esa razón, la responsividad crece de forma aproximadamente lineal con la longitud de onda.

Respuesta fotodiodoRespuesta fotodiodo

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Recta de carga de un fotodiodoRecta de carga de un fotodiodo

El fotodetector funciona como un generadorde corriente casi ideal, dependiente sólo de la potencia óptica recibida, e independientede la tensión de polarización.

Para ello es preciso situar el punto de trabajo en el tercer cuadrante. La posiciónestá determinada por la tensión de polarización y la resistencia de carga.

El fotodetector funciona como un generadorde corriente casi ideal, dependiente sólo de la potencia óptica recibida, e independientede la tensión de polarización.

Para ello es preciso situar el punto de trabajo en el tercertercer cuadrantecuadrante. La posiciónestá determinada por la tensión de polarización y la resistencia de carga.

Comparativa de fotodiodosComparativa de fotodiodos

Valores típicos de fotodiodos comercialesValores típicos de fotodiodos comerciales

20-3020-2500,1-0,510-5010-40APD

51-20,05-0,50,5-20,75-0,951100-1700

pinInGaAs

20-402-100,5-0,850-50050-200APD

5-100,5-30,1-0,550-5000,4-0,5800-1800

pinGe

150-4002-50,1-20,1-120-400APD

50,3-0,70,5-11-100,4-0,6400-1100

pinSi

VpolB/B·M (GHz)τr (ns)Id (nA)R/MλTipoMaterial

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SensibilidadSensibilidad

Potencia mínimaque se necesitapara detectarun bit con unaBER concreta.

Varía con el régimen binario.

Potencia mínimaque se necesitapara detectarun bit con unaBER concreta.

Varía con el régimen binario.

Amplificador y circuito equivalente de ruidoAmplificador y circuito equivalente de ruido

Ruidos en receptor

• Shot límite absoluto

• Térmico

• Corriente de ruido del amplificador

• Tensión de ruido del amplificador con R

• Tensión de ruido del amplificador con C

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Alta y baja impedanciaAlta y baja impedancia

Alta impedancia: Mínimo ruido, pero necesita ecualización y presenta un rango dinámico limitado

Baja impedancia: Menor necesidad de ecualización, pero baja sensibilidad. No se usa excepto en algunas aplicaciones de corta distancia.

Amplificador de Amplificador de transimpedanciatransimpedanciaTransimpedancia: Es el más utilizado. Evita la mayoría de inconvenientes del A. de alta impedancia añadiendo al mismo una resistencia de realimentación negativa Rf, consiguiendo a la vez un bajo nivel de ruido y un buen rango dinámico.

• Amplio rango dinámico comparado con alta impedancia• Poca o ninguna ecualización porque la combinación de R y Rf es muy pequeña• La impedancia de salida es baja menos interferencias• Es algo menos sensible que alta impedancia, pero la diferencia se reduce a 2-3 dB en la mayoría de los casos.

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Muestreo y BERMuestreo y BER

Problema ReceptoresProblema Receptores

PROBLEMA 1: Se dispone de un fotodiodo p·i·n de silicio, polarizado en inversa con una tensión de polarización de 10V. Se desea emplear para detectar una potencia óptica (Φopt.) de hasta 1mW, en todo el rango visible (a partir de 400nm) y el infrarrojo cercano (hasta la longitud de onda de corte λc).

El circuito de detección posee una resistencia de carga RL y se supone un comportamiento lineal de la responsividad con la longitud de onda. Se incluyen además los siguientes datos:

Eg (silicio)= 1,14eV η= 0,95 para 400nm < λ < λc

Determine el valor máximo de RL para garantizar un funcionamiento lineal a todas las longitudes de onda.

Longitud de onda ( m)µ

Res

pons

ivid

ad (

AW)

-1

λc

Fotodetector ideal

400nm

Vpol

+V-

D

RL

10

Problema Receptores (2)Problema Receptores (2)

Vpol

+V-

D

RL

I

V

Φ1

Φ1

Φ = 0

Φ2

Φ2

Iph2

Iph1

Id

Curva Característicadel Fotodiodo a trespotencias luminosas(0, , )

I

V

Φ1

Φ = 0

Φ2

Iph 2

VPOL

Iph1

Rectas de Cargaa distintas V(R constante)

POL

L

V IDiodo L ph = V RPol _

I

V

Φ1

Φ = 0

Φ2

Iph2

VPOL

Ip h1

Rectas de Cargaa distintas ( constante)

RV

L

POL

R altaL R bajaL

Límite deComportamientoLineal

Problema Enlace punto a puntoProblema Enlace punto a puntoPROBLEMA 2. Se desea realizar un enlace

punto a punto con los siguientes elementos y características:

Sistema:• Tasa binaria (BR o BT), BR = 622Mbps• Formato NRZ• Tasa de error (BER), la correspondiente a

una relación señal/ruido de 23 dB• Margen de seguridad: 6dB

Emisor• Diodo láser• Longitud de onda: λ0 = 1550nm• Potencia acoplada a fibra: P0 = 0dBm• Anchura espectral: σλ = 0,5 nm• Tiempo de conmutación: te = 0,2ns

Receptor• Fotodiodo PIN• Responsividad: ℜ = 0,7A/W• Corriente de oscuridad: ID =100pA• Capacidad: Cph = 0,3pF• Amplificador de transimpedancia• Ganancia en lazo abierto: A = 20dB• Impedancia de entrada: Zi = 1MΩ0,5pF• Ancho de banda con realimentación, BW = 650 MHz• Tensión de ruido: = 0,1nV/Hz½

• Corriente de ruido despreciable

Fibra Óptica• Monomodo en 3ª ventana• Atenuación: αF = 0,5dB/km• Pérdidas en las soldaduras: αs = 0,1dB• Pérdidas por conexión: αc = 1dB• Longitud de los carretes: l = 5km• Dispersión cromática: DT = 17ps/nm·km

Estudie la longitud máxima del enlace.

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Problema Enlace punto a punto II (grProblema Enlace punto a punto II (grááficas)ficas)PROBLEMA 3. Se dispone de un enlace digital punto

a punto IM/DD (modulación por corriente, detección directa), con modulación NRZ a 2,5Gbps, con las siguientes características:

Transmisor• Característica potencia óptica acoplada en la fibra-

corriente dada por la figura 1• Espectro de emisión en condiciones de modulación

a 2,5 Gbps dado por la figura 2• Respuesta temporal a un escalón de corriente, con

IOFF = 10mA, dado por la figura 3• Pérdidas en el conector transmisor-fibra: 0,5dBFibra monomodo de dispersión aplanada:• Longitud = 80km• Atenuación dada por la figura 4 (curva

experimental)• Dispersión intramodal dada por la figura 5 (curva de

dispersión aplanada)• Índice efectivo neff = 1,475• Pérdidas en las soldaduras: despreciablesReceptor• Promedio de fotones necesarios en cada bit “1” para

asegurar una BER de 10-9: 10.000• Ancho de banda del amplificador: 10GHz• Constante de tiempo RC del fotodetector y tiempo

de tránsito:despreciables• Pérdidas en el conector receptor-fibra: 0,5 dB

Sistema:• Máxima tasa de error admisible: BER = 10-9

• Criterio para el balance de tiempos: tsys ≤ 0,25 TB (tsys es el tiempo de subida 10-90% del sistema en respuesta a una función escalón y TB es el tiempo de bit)

• Margen de seguridad: 4dB + Penalizaciones en PotenciaoPenalización en potencia debida a la interferencia entre símbolos dada por la figura 6oPenalización en potencia debida a la relación de extinción (definida como el cociente POFF/PON) dada por la figura 7

• Relación entre BER y Q dada por la figura 8

1. Indique razonadamente de que tipo es el emisor empleado (LED, Láser FP o láser monofrecuencia).

2. Determine si el enlace cumple el criterio especificado para el balance de tiempos.

3. Tomando como dato tsys = 80ps (independientemente de lo obtenido en el apartado anterior), y considerando IOFF = 12mA determine la mínima corriente que debe aplicarse al emisor en el estado ON para que el enlace funcione adecuadamente.

Nota: Marque claramente en las figuras mediante líneas los valores leidos y su estimación, e indique en la solución el número de la figura de la que ha obtenido cada valor.

Problema Enlace punto a punto II (grProblema Enlace punto a punto II (grááficas)ficas)

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Problema Enlace punto a punto II (grProblema Enlace punto a punto II (grááficas)ficas)

7

64

Problema Sistema grProblema Sistema grááficasficasSe dispone de un enlace digital punto a punto IM/DD, conmodulación NRZ a 2,5Gbps, con las siguientes características:

Emisor:Característica potencia acoplada corriente Fig 1Espectro de emisión a 2,5 Gbps Fig 2Respuesta a un escalón de corriente, con IOFF = 10mA, Fig 3Pérdidas en el conector transmisor-fibra: 0,5dB

Receptor:Promedio de fotones en cada bit “1” para asegurar una BER de 10-9 10.000Ancho de banda del amplificador: 10 GHzConstante de tiempo RC del fotodetector y tiempo de tránsito: despreciablesPérdidas en el conector receptor-fibra: 0,5 dB

Sistema:Máxima tasa de error admisible: BER = 10-9

Criterio para el balance de tiempos: tsys ≤ 0,25 TB (tiempo de bit)Margen seguridad: 4dB + Penalizaciones en PotenciaPenalización en potencia debida a la interferencia entre símbolos Fig. 6P. potencia debida a la relación de extinción (definida como el cociente POFF/PON) Fig. 7Relación entre BER y Q = (S/N)óptica Fig. 8

Fibra monomodo de dispersión aplanada:Longitud = 80kmAtenuación Fig. 4 (curva experimental)Dispersión intramodal dada por la figura 5Índice efectivo neff = 1,475Pérdidas en las soldaduras: despreciables

1. Indique razonadamente de que tipo es el emisor empleado (LED, Láser FP o láser monofrecuencia).2. Determine si el enlace cumple el criterio especificado para el balance de tiempos. 3. Tomando como dato tsys = 80ps (independientemente de lo obtenido en el apartado anterior), y considerando IOFF = 12mA determine la mínima corriente que debe aplicarse al emisor en el estado ON para que el enlace funcione adecuadamente.

1

2

3 5

8

13

Problema Sistema grProblema Sistema grááficas (II)ficas (II)

Es un láser monomodo (DFB o DBR)

Problema Sistema grProblema Sistema grááficas (III)ficas (III)

Tiempo de subida 10-90 = 90 ps

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Problema Sistema grProblema Sistema grááficas (IV)ficas (IV)

Anchura espectral FWHM=0,1nm

Coeficiente de Dispersióna 1550 nm = 1,5 ps/nm/km

Problema Sistema grProblema Sistema grááficas (V)ficas (V)

Penalización en potencia por ISI:tsys/TB = tsys·BR = 80·10-12·2,5·109 = 0,2

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Problema Sistema grProblema Sistema grááficas (VI)ficas (VI)

Penalización en potencia debidaa la relación de extinción: 0 dB

Problema Sistema grProblema Sistema grááficas (y VII)ficas (y VII)

Coeficiente de atenuación = 0,2 dB/km