Detectores y Receptores Ópticos PDF

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Informe sobre Detectores y Receptores Ópticos...

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Detectores y Receptores Ópticos Erick Usiña, Edgar Rosero, Stalin Cacuango Ingeniería en Redes y Telecomunicaciones

Abstract— This report explains optical detectors and receivers in optical communications; As it is known, the function of the optical receivers is to convert the optical signals to electrical signals and recover the information transmitted through the optical communication systems. The main component of the Rx is the PHOTODETECTOR, which converts light into electricity through the PHOTOELECTRIC EFFECT. In communications through optical fibers, optical transmitters and receivers are the devices responsible for taking the electrical signal in the form of voltage or current and convert it into a light signal with the aim of transporting information through the fiber. The complexity of the transmitter and receiver depends on the type of signal or information that it is wanted to send, if it is analogous or digital, the type of codification, and of the class of luminous source that is going away to modulate.

Index Terms— optical communication, photodetector, photoelectric effect, signal or information.

E

I. INTRODUCCIÓN

las comunicaciones a través de fibras ópticas los transmisores y receptores ópticos son los dispositivos encargados de tomar la señal eléctrica en manera de voltaje o corriente y convertirla en una señal luminosa con el objetivo de poder transportar información a través de la fibra. La complejidad del transmisor y receptor depende del tipo de señal o información que se quiere enviar, si es análoga o digital, el tipo de codificación y de la clase de fuente luminosa que se requiere modular. Básicamente, el detector es un dispositivos que convierte los fotones en electrones, un receptor se compone de un detector y de los circuitos necesarios asociales que lo capaciten para poder funcionar en un sistema de comunicaciones ópticas, de esta manera transformar señales de frecuencias ópticas a frecuencias inferiores, con mínima adición de ruido indeseable y con un gran ancho de banda suficiente para así no distorsionar la información que se encuentra contenida en la señal, ya sea esta de manera analógica o digital. N

II. DESARROLLO 1. Detectores Ópticos El detector se puede decir que es el elemento más crítico en un Sistema de Comunicaciones Ópticas por fibra, además se emplea como referencia para el diseño del sistema completo Son los encargados de transformar las señales luminosas en

señales eléctricas, en sistemas de transmisión analógica el receptor debe amplificar la salida del fotodetector para posteriormente demodularla para obtener información. En sistemas de transmisión digital el receptor produce una secuencia de pulsos (unos y ceros) que contienen la información del mensaje transmitido. Las características principales que debe tener un detector son: • Sensibilidad alta a la longitud de onda de operación. • Contribución mínima al ruido total del receptor. • Gran ancho de banda, respuesta rápida. Los fotodetectores son diodos semiconductores que operan polarizados inversamente, durante la absorción de la luz, al momento que un fotodetector es iluminado, las partículas de energía luminosa, también llamadas fotones son absorbidas generando pares de electrón-hueco que en presencia de un campo eléctrico producen una corriente eléctrica. 1.1. Convertidor Opto-Eléctrico La luz recorre la fibra, en el tramo final las señales lumínicas son convertidas nuevamente en señal óptica recibida, es convertida en una señal eléctrica en el transductor optoeléctrico. En el semiconductor para poder pasar un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción, existe energía absorbida por incidencia de un fotón, el proceso inverso se realiza para liberar fotones, en donde: • Ec energía de un electrón, cuando se encuentra en la banda de conducción. • Ev energía de un electrón, cuando se encuentra en la banda de valencia. • E es una característica del material, y se puede cambiar en función al contaminante empleado con el semiconductor.

2 a que no tiene mecanismo de ganancia. Se compone básicamente de unas zonas p y n altamente conductoras junto a una zona intrínseca poco conductiva. Los fotones entran en la zona intrínseca generando pares electrónhueco. El diodo se polariza inversamente para acelerar las cargas presentes en la zona intrínseca, que se dirigen a los electrodos. Donde aparece como corriente. El proceso es rápido y eficiente. Como no hay mecanismo de ganancia, la máxima eficiencia es la unidad y el producto ganancia por ancho de banda coincide con esta última.

Fig. 1. Cuando se libera un fotón se lo puede hacer de dos maneras, espontánea o estimulada.

1.2. Características de los Fotodiodos A continuación, algunas características que deben tener los fotodiodos: • Responsividad: una mediad de la eficiencia de conversión de un fotodetector, es la relación de corriente de salida de un fotodiodo a la potencia óptica de entrada y su unidad de medida es amperes/watts. • Corriente oscura: corriente de fuga que fluye por un fotodiodo sin entrada de luz. • Tiempo de respuesta: tiempo que requiere un portador inducido con luz para viaja a través de la región de agotamiento o vaciamiento, este parámetro determina la máxima razón de bit posible con un fotodiodo específico. • Eficiencia cuántica: se define como la probabilidad de que un fotón incidente sobre el dispositivo genere un par de portadores que contribuyen a la corriente del detector. 1.3. Consideraciones de los detectores ópticos. Las principales consideraciones a tener en cuenta son: - La obtención de una potencia lumínica pequeñas 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. - Para la velocidad de transmisión que se pretende utilizar, el dispositivo convertidor deberá poseer una velocidad de reacción muy grande. 1.4. Tipos de Fotodetectores Los principales tipos de receptores son: • Fotodetectores PIN. • Fotodetectores PIN con preamplificadores FET. • Fotodetectores de avalancha APD. 1.4.1. Fotodetectores PIN 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

Fig. 2. Funcionamiento de un Fotodetector PIN.

1.4.2. Fotodiodo de avalancha APD También son diodos polarizados inversamente, las tensiones inversas son elevadas, originando un fuerte campo eléctrico que acelera los portadores generados, de manera que colisionan con otros átomos del semiconductor y generan pares electrónhueco. Esta ionización por impacto determina la ganancia de avalancha. La ganancia de un APD tiene influencia sobre el ancho de banda, el máximo ancho de banda se da para ganancia 1, con ganancias mas elevadas, el ancho de banda se reduce debido a tiempo necesario para que se forme la foto avalancha

3 𝑓𝐹𝐼 = |𝑓𝑠 − 𝑓𝐿𝑂 |

Fig. 3. Funcionamiento de un Fotodetector APD.

2. Receptores Ópticos Una configuración básica es el receptor de detección directa, convierte el flujo de los fotones incidente en un flujo de electrones, después esta corriente es amplificada y procesada, existe dos tipos de fotodiodos para recepción óptica, el fotodiodo PIN y APD.

Fig. 4. Modelo de un receptor óptico con detección directa.

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 fotedetectada. La segunda alternativa es la utilización de un preamplificador óptico antes del fotodetector, para amplificar la señal óptica antes de la detección.

Fig. 5. Modelo de un receptor óptico con detección directa utilizando un preamplificador óptico.

Una configuración más compleja es el empleo de los receptores de detección coherente, con el nivel de potencia del oscilador local tan alto que el ruido térmico se hace mucho menor que el producto del batimento entre la señal del oscilador local y la señal recibida.

Donde 𝑓𝐹𝐼 es la frecuencia intermediaria, 𝑓𝑠 es la frecuencia de la señal recibida y 𝑓𝐿𝑂 es la frecuencia del oscilador local. En sistemas homodinos, la frecuencia es igual a cero y en los heterodinos es diferente a cero, es decir, el espectro esta simplemente trasladado de la frecuencia óptica para la frecuencia intermediaria. En el sistema homodino, como la frecuencia es nula, ocurre una concentración de las energías de las dos bandas laterales en la única banda existente. Se debe considerar los mismos parámetros básicos para diferenciar las características de los receptores analógicos y digitales; estos parámetros para receptores analógicos son la linealidad o distorsión y el ancho de banda, para receptores digitales la linealidad no es importante y el ancho de banda se remplaza por la velocidad máxima de transmisión. La potencia de ruido equivalente de un receptor es generalmente mayor que en la de un fotodetector sólo. La capacidad de un receptor óptico para detectar señales de luz débiles depende de su sensibilidad y en particular del ruido propio, los causantes del ruido son la señal óptica, el diodo y el circuito eléctrico que le sigue. El límite en cuanto a detección se da cuando la suma de todas las corrientes de ruido iguala a la corriente de la señal a la salida del receptor, esta potencia equivalente al ruido suele ser menos importante que la potencia óptica 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 señal. • Exceso 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 Incluso con un APD hay un límite fundamental en el cual el rendimiento sólo depende del ruido granular en la corriente media de la señal, se le denomina límite cuántico, ya que los electrones de la corriente de señal están relacionados directamente con los fotones ópticos, se puede demostrar que deben recibirse al menos 21 fotones para un “I” si se quiere obtener una tasa de error en sistemas digitales. III. CONCLUSIONES •

• Fig. 6. Modelo de un receptor óptico con detección coherente.

En el caso del esquema coherente, la señal detectada posee una frecuencia intermediaria dada por:

•

Los fotodetectores APD son más sensible que los PIN, requieren una menos amplificación adicional, con la desventaja que los APD son sus tiempos de transición, ya que son relativamente largos y el ruido adicional internamente que se genera debido al factor de la multiplicación de avalancha. Los receptores PIN y APD depende del material que se utiliza varia sus características, dando como resultado diferentes tipos de longitudes de onda. Los receptores PIN y APD también sirven para poder demostrar en que ventana de trabajo de las longitudes de onda se encuentra.

4 REFERENCIAS [1] Anónimo. (18 de Octubre de 2007). SISTEMAS DE COMUNICACIONES OPTICAS. Obtenido de Udabol: https://comunicacionesopticas.files.wordpress.com/2007/10/recept ores-opticos-informe.pdf [2] Arias, D., & Lescano, S. (2008). Fibra Óptica La Gran Maravilla Moderna. Madrid: Martinez. [3] Pereda, J. (2004). Sistemas y Redes Ópticas de Comunicaciones. Madrid: Prentice Hall....