Download Fotodiodo APD - Comunicaciones Opticas

Universidad De Aquino Bolivia
Ing. De Telecomunicaciones
Sistemas de Transmisión por Fibra Óptica
Receptores Ópticos
Álvaro A. Robles Zenteno
Introducción
Los receptores ópticos
son
dispositivos
que
transforman las señales
ópticas
en
señales
eléctricas, en concreto es
el
fotodetector
el
encargado
de
ésta
transformación
Configuración de un R.O.
Receptor óptico con detección directa
El fotodetector convierte el flujo de los fotones
incidentes en un flujo de electrones. Después esta
corriente es amplificada y procesada
Configuración de un R.O.
Con detección directa con pre-amplificador óptico
El factor limitante de la sensibilidad del receptor es el ruido
térmico.
 Uso de fotodiodo APD
 Utilizar un Pre-amplificador óptico antes del fotodetector.
Configuración de un R.O.
Receptor óptico con detección coherente
El nivel de potencia del oscilador local disminuye el ruido
térmico.
Diagrama de un R.O. básico con
detección directa
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.

Filtro Óptico
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.
Detectores Ópticos
Se encarga de transformar las señales luminosas en señales
eléctricas.

Sistema de transmisión analógica, el receptor amplifica la salida
del fotodetector y después demodularla para obtener la información.

Sistema de transmisión digital, el receptor produce una secuencia
de pulsos (1-0) que contienen la información del mensaje transmitido.
Las características principales que debe tener son:



Sensibilidad alta a la longitud de onda de operación
Contribución mínima al ruido total del receptor
Ancho de banda grande (respuesta rápida)
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.
Fotodiodo PIN
Fotodiodo PIN
Principales características de los fotodiodos PIN
Fotodiodo APD (Avalanche Photodiode)
Fotodiodo APD
Principales características de los fotodiodos APD
Características de los fotodiodos
Responsividad. Una medida 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. La corriente de fuga que fluye por
un fotodiodo sin entrada de luz. La corriente oscura
será causada por los portadores generados
térmicamente en el diodo.
 Tiempo de transito. El tiempo que requiere un
portador inducido con luz para viajar a través de la
región de agotamiento o vaciamiento. Este parámetro
determina la máxima razón de bit posible con un
fotodiodo específico.

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.
Circuitos de polarización.
• Los diodos PIN requieren circuitos de
polarización más simples, pues trabajan a
menores tensiones.
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.
Amplificador Front-End
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.

CARACTERÍSTICAS EN
TABLAS
NIVEL DE
SENSIBILIDAD
VELOCIDAD
DE
TRANSMISIÓN
LONGITUD DE
ONDA
PIN
-34 dBm
34 Mbps
1a y 2a ventana
PIN-FET
-53 dBm
2 Mbps
2a y 3a ventana
-47 dBm
34 Mbps
-56dBm
2 Mbps
-50 dBm
34 Mbps
RECEPTOR
APD
2a y 3a ventana
Emisor-Receptor según
Longitud de Onda
Tipo de Fibra
Lambda
nm
Tipo de Emisor
850 Fibra multimodo (gradiente Emisores LED (GaAs) o
inducido).
Láser.
Lambda 1300
nm
Fibra multimodo o
monomodo.
Lambda 1550
nm
Fibra monomodo (tipo
NZD).
Tipo de Receptor
Receptores PIN de
silicio.
Emisores Láser
(GaInAsP).
Receptores PIN de
InGaAs.
Emisor Láser.
Receptores APD
(GaInAsP).
CONCLUSIONES
 Los receptores ópticos deben reunir una serie de
características como sensibilidad, linealidad, eficiencia
cuántica, tiempo de respuesta mínima, para que sean
altamente eficientes.
 Los filtros ópticos seleccionan
longitudes de onda
específicas de trabajo y ayudan a eliminar los ruidos
provenientes de los amplificadores de la etapa de
transmisión.
 Los fotodiodos PIN y APD son los más utilizados en la etapa
de recepción, siendo estos últimos más sensibles al necesitar
menor amplificación debido a su efecto multiplicador de
avalancha.