Download universidad de aquino bolivia facultad de ciencia y tecnologia

UNIVERSIDAD DE AQUINO BOLIVIA
FACULTAD DE CIENCIA Y TECNOLOGIA
CARRERA INGENIERIA DE TELECOMUNICACIONES
Docente
:
INGENIERO MARCELO PINTO
Materia
:
COMUNICACIÓNES CON FIBRA OPTICA
Universitario
:
YIMY LOPEZ CANDIA
C.I.7051150 L.P.
La Paz - Bolivia
2015
INTRODUCCION.En esencia un sistema de comunicaciones ópticas es un sistema de
comunicaciones electrónico con la diferencia que usa como portador de
información a la luz. Sin embargo es difícil y impráctico propagar ondas
luminosas por la atmosfera terrestre. En consecuencia los sistemas de
comunicaciones con fibras ópticas usan fibras de vidrio o de plástico para
contener las ondas luminosas y guiarlas en una forma similar a las ondas
electromagnéticas, cuando estas estas siendo propagadas por las guías de
onda.
La optoelectrónica es la rama de la electrónica que estudia la transmisión
de la luz a través de fibras ultra puras, que se suelen fabricar con vidrio o
con plástico. La capacidad de conducción de información de un sistema
electrónico de comunicaciones es directamente proporcional a su amplitud
de banda, para fines de comparación, se acostumbra expresar el ancho de
banda de un sistema de comunicaciones analógico como un porcentaje se
su frecuencia portadora. A esto se le llama a veces relación de utilización
del ancho de banda. Por ejemplo un sistema de comunicaciones de VHF
trabajando a una frecuencia portadora de 100MHz con un ancho de banda
de 10MHz tiene una relación de utilización del ancho de banda del 10%.
Un sistema de radio de microondas que funciona con una frecuencia
portadora con una relación de utilización del ancho de banda del 10%
tendría disponible 1GHZ de ancho de banda. Es obvio que mientras mayor
es la frecuencia de la portadora, el ancho de banda es mayor y la capacidad
de conducción también lo será. Las frecuencias luminosas que se usan en
sistemas de comunicaciones con fibras ópticas son:
1×
1014 𝑦 4 × 1014 (100000 – 400000 GHz). Una relación de utilización del
ancho de banda del 10% significa una banda entre 10000 a 40000 GHz.
Diagrama de bloques de un sistema de comunicaciones con fibras ópticas.-
La figura muestra un diagrama de bloques simplificado, de un sistema de
comunicaciones con fibras ópticas para un solo sentido de transmisión, los
tres bloques principales son; el transmisor el receptor y la guía de fibra o
fibra guía. El transmisor consiste con un interfaz analógico digital, un
convertidor de voltaje a corriente, una fuente luminosa un acoplador de luz
de fuente a fibra la guía de fibra es un cable de vidrio o de plástico
ultrapuro. El receptor consiste en un dispositivo de detector acoplador de
fibra a luz, un detector fotoeléctrico, un convertidor de corriente a voltaje
un amplificador o interfaz analógico digital.
El transmisor de fibra óptica, la fuente luminosa se puede modular
mediante una señal digital o analógica, para la modulación analógica la
interfaz de entrada compensa las impedancias y limita la amplitud de la
señal de entrada, para la modulación digital, la fuente original puede tener
ya la forma digital o bien si está en forma analógica debe de convertirse en
pulsaciones de corriente digitales. En un último caso se debe implementar
un convertidor analógico digital en el interfaz. El convertidor de voltaje a
corriente sirve como interconexión eléctrica entre los circuitos de entrada y
la fuente luminosa. La fuente luminosa puede ser un diodo emisor de luz
(LED) o un diodo de inyección laser (ILD) la cantidad de luz emitida por el
LED o ILD es proporcional a la cantidad de corriente de excitación. Así el
convertidor de voltaje a corriente convierte un voltaje de la señal de entrada
a una corriente que se usa para activar la fuente luminosa.
El acoplador entre la fuente y fibra (como por ejemplo una lente) es una
interfaz mecánica. Su función es de acoplar la luz que emite la fuente e
introducirla al cable de fibra óptica. La fibra óptica es un núcleo de vidrio o
de plástico, un revestimiento y una chaqueta protectora. El dispositivo de
acoplamiento detector de fibra a luz también es un acoplador mecánico. Su
función es sacar tanta luz del cable de fibra como sea posible y ponerlo en
el detector de luz. El detector de luz con mucha frecuencia es un diodo PIN
(tipo p tipo n intrínseco) o un fotodiodo de avalancha (APD, de
avalanchephotodiode). Tanto el diodo APD como el PIN convierten la
energía luminosa en corriente. En consecuencia se necesita un convertidor
de corriente a voltaje. El convertidor de voltaje a corriente transforma los
cambios de corriente del detector en cambios de voltaje de la señal de
salda. La interfaz analógico o digital en la salida del recetor también es una
interconexión eléctrica, si se usa modulación analógica, la interfaz
compensa la impedancias y los niveles de la señal en circuitos de salida. Si
se usa modulación digital la interfaz debe incluir un convertidor digital
analógico.
DESARROLLO.Receptores ópticos.- La función de los receptores ópticos es convertir las
señales ópticas a señales eléctricas y recuperar la señal transmitida a través
de los sistemas de comunicación óptica.
Entre los principales requerimientos del fotodetector figuran:
 Alta sensibilidad
 Respuesta rápida
 Bajo ruido
 Bajo costo
 Tamaño compatible con la fibra óptica
Estos requerimientos son eficientemente atendidos con fotodetectores
basados en materiales semiconductores.
Antes de comenzar de lleno de cómo es que se hace la conversión de un
haz de luz a una corriente fluctuante, vamos a estudiar porque tipo de
proceso pasa un fotón para ser reconvertida a un flujo de electrones.
Los dispositivos fotodetectores están fabricados por regiones
semiconductoras unidos en un solo bloque. Los diodos PIN (tipo p o tipo n
intrinseco) y el diodo APD (avalanchephotodiode) son las más comunes en
sistemas ópticos de comunicación.
Vamos a analizar cuáles son las propiedades de un átomo, a la cual se
sacan provecho en la electrónica.
La estructura atómica del cobre nos dice que es un buen conductor, la razón
por la cual es que en su núcleo posee 29 protones (cargas positivas),
cuando un átomo de cobre tiene una carga neutra quiere decir que tiene 29
electrones (cargas negativas) dispuestas alrededor de su núcleo, en forma
similar al cómo están dispuestos los planetas alrededor del sol, los
electrones se mueven en distinto orbitales (también denominados capas), la
disposición de la cantidad máxima de electrones en un orbital viene dada
por la formula: 𝑁(𝑒) = 2(𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑜𝑟𝑏𝑖𝑡𝑎𝑙)2
Orbitales estables, el núcleo atrae a los electrones de los orbitales, la razón
por la que estos electrones no se caen al núcleo es la fuerza centrífuga
(hacia afuera) creada por su movimiento circular, esta fuerza centrífuga es
exactamente a la fuerza de atracción ejercida por el núcleo. La idea es
similar a un satélite en órbita alrededor de la tierra, en el cual a la altura y a
la velocidad adecuada podrá permanecer en una órbita estable sobre la
tierra, cuando más lejana es la órbita del núcleo, menor será la atracción
hacia él. En los orbitales más lejanos los electrones se mueven más
lentamente lo que da lugar a una fuerza centrífuga menor.
La parte interna, en la electrónica lo único que interesa es el orbital
exterior, el cual se denomina orbital de valencia, este orbital controla las
propiedades eléctricas del átomo. Para destacar la importancia del orbital
de valencia vamos a definir la parte interna de un átomo como el núcleo
más todo los orbitales internos. En un átomo de cobre la parte interna es el
núcleo (+29) y los tres primeros orbitales (-28).
En la figura se ve que la parte interna de una átomo de cobre tiene una
carga neta de +1 ya que contiene 29 protones y 28 electrones internos a
causa de ello la atracción que siente el ultimo electrón en la última capa es
relativamente pequeña.
Electrón libre, dado que la atracción entre la parte interna y el electrón de
valencia es muy débil, una fuerza externa puede fácilmente arrancar este
electrón de cobre, esta es la razón que se puede denominar al electrón de
valencia como electrón libre, y también es la razón por la cual el cobre es
un bien conductor. Incluso una tensión muy pequeña puede hacer que el
electrón libre de pase de un átomo a otro.
Semiconductores, los mejores conductores son el (cobre, oro y plata) tienen
un electrón de valencia, mientras que los mejores aislantes tienen ocho
electrones de valencia. Un semiconductor es un elemento con propiedades
eléctricas entre las de un conductor y un aislante. Como es lógico lo
mejores semiconductores tendrán cuatro electrones de valencia.
Germanio, el germanio es un ejemplo de semiconductor tiene cuatro
electrones en su orbital de valencia. Hace años el germanio era el único
material adecuado para la fabricación de dispositivos semiconductores, sin
embargo estos dispositivos semiconductores presentaban una gran
desventaja que los ingenieros no pudieron dar solución (su excesiva
corriente inversa).
Silicio, después del oxígeno el silicio es el segundo elemento más
abundante en el planeta tierra, sin embargo cuando se quiso trabajar con
este semiconductor presentaba ciertos problemas que fueron resueltos. Sin
él la electrónica moderna, las comunicaciones y la informática no serían
posibles.
Cristales de silicio, cuado los atomos de silicio se recombinan para formar
un solido lo hacn según un patron ordenado denominado cristal. Cada
atomo de silicio comparte sus electrones con cuatro atomos vecinos, de tal
forma que tiene ocho electrones en su orbital valencia
Podemos ver en la figura que cada átomo de silicio tiene una parte interna
de +4, si nos fijamos en la parte central y la parte de la derecha, estas dos
partes internas atraen a dos electrones libres que hay entre ellas con fuerzas
iguales y opuestas, este tipo de enlace químico se denomina enlace
covalente, este enlace la da una solides de suma importancia al cristal.
Cada átomo del cristal de silicio tiene ocho electrones en su orbital de
valencia, estos ocho electrones proporcionan una estabilidad química que
da como resultado un cuerpo compacto de material de silicio. Nadie sabe
exactamente porque el orbital exterior de todos los elementos tiene una
predisposición a tener ocho electrones. El orbital de valencia no puede
tener más de ocho electrones a este fenómeno se lo conoce como saturación
de valencia.
Semiconductores intrínsecos, un semiconductor intrínseco es un
semiconductor puro, un cristal de silicio es un semiconductor intrínseco si
cada átomo del cristal es un átomo de silicio, a temperatura ambiente el
cristal de silicio actúa como aislante porque solo tiene unos pocos
electrones libres y huecos producidos por la energía térmica.
Flujo de electrones libres, en la figura mostramos una parte del cristal de
silicio situado entre do placas de metal cargadas supongamos que la energía
térmica a dado lugar a la creación de un electrón libre y un hueco. El
electrón libre se encuentra en un orbital de mayor energía en el extremo
derecho del cristal, puesto que la placa está cargada negativamente, los
electrones libres son repelidos hacia la izquierda, estos electrones libres
pueden pasar de un orbital al siguiente de mayor nivel hasta llegar a la
placa positiva. Ahora observemos el hueco situado en la parte izquierda,
este hueco atrae al electrón de valencia en el punto A, lo que provoca que
el electrón de valencia caiga al hueco. Cuando el electrón de valencia se
desplaza hacia la izquierda crea un hueco en dicho punto A, el efecto es el
mismo que cuando un hueco se mueve hacia la derecha, el hueco entonces
en el punto A puede atraer o capturar a otro electrón de valencia, de este
modo el electrón de valencia puede seguir el camino de las flechas
mostradas en la gráfica (A-B-C-D-E-F) actuado de la misma manera que
una carga positiva.
Los electrones libres y huecos se mueven en direcciones opuestas, entonces
se puede decir que cambiaremos la corriente en un semiconductor como el
efecto combinado de dos tipos de flujos: el flujo de electrones libres en una
dirección y el flujo de huecos en la dirección opuesta. A menudo tanto los
electrones como los huecos se denominan portadores, ya que transportan
una carga de un lugar a otro.
Dopaje de un semiconductor, una forma de incrementar la conductividad e
un semiconductor es mediante el dopaje, el dopaje consiste en añadir
átomos o impurezas en un cristal intrínseco con el fin de alterar la
conductividad eléctrica. Un semiconductor dopado se denomina
semiconductor extrínseco.
Aumento del número de electrones libres, para conseguir un aumento de
electrones libres deberemos de fundir el cristal de silicio puro, de este
modo se romperán los enlaces covalentes y el estado de silicio pasa de un
material solido a uno líquido. Para aumentar el número de electrones libres
se añaden átomos pentavalentes al silicio fundido, los átomo pentavalentes
tienen cinco electrones en el orbital de valencia, algunos ejemplos de
átomos pentavalentes son: el arsenio, el antimonio y el fosforo.
Aumento del número de huecos, utilizando una impureza trivalente es decir
una impureza cuyo átomo solo tengan tres electrones de valencia al cristal
de silicio fundido como: el galio, aluminio y el boro.
Dos tipos de semiconductores extrínsecos, un semiconductor se puede
dopar para tener exceso de electrones libres o un exceso de huecos, por
tanto existen dos tipos de semiconductores dopados.
Semiconductor tipo n, el silicio que ha sido dopado con átomos
pentavalentes hacen referencia a un semiconductor tipo n, donde los
portadores mayoritarios son los electrones libres y los portadores
minoritarios son los huecos.
Semiconductores tipo p, en este caso hacen referencia a los átomos
fundidos en el cristal de silicio cuyo orbital de valencia tengan tres
electrones o sea átomos trivalentes, en donde los portadores mayoritarios
son los huecos y los portadores minoritarios son los electrones de valencia.
Niveles de energía, una buena aproximación consiste en identificar la
energía total de un electrón con el tamaño de su orbital. Es decir podemos
pensar que cada uno de los radios en la siguiente figura:
Como es evidente a cada uno de los niveles de energía mostrados en la
figura anterior. Los electrones del orbital más interno se corresponden
como el primer nivel de energía; los electrones situados en el segundo
orbital se encuentran en el segundo nivel de energía, etc.
Más energía en el orbital superior, dado que el electrón es atraído por el
núcleo se requiere energía adicional para llevarlo a un orbital de mayor
energía cuando un electrón salta del primer orbital al segundo gana energía
potencial con respecto al núcleo, algunos de los agentes externos que
pueden hacer que un electrón pase a niveles de mayor energía son el calor,
la luz y la tensión.
Por ejemplo supongamos que una fuerza constante haga pasar a un electrón
del primer orbital al segundo, este electrón tiene más energía potencial
porque está más alejado del núcleo, la situación es similar a la de un objeto
situado por encima de la tierra; cuanto más alto esta en objeto, mayor es su
energía potencial con respecto a la tierra. Si lo liberamos el objeto realiza
un trabajo mayor cuando cae a la tierra.
Los electrones emiten luz, después de que un electrón a saltado a un orbital
mayor, puede volver a caer en el nivel de energía inferior. Si esto ocurre,
perderá su energía adicional en forma de calor, luz u otro tipo de
radiaciones. En el diodo LED, la tensión aplicada eleva a los electrones a
niveles de energía mayores, cuando estos electrones caen a niveles de
energía inferiores, emiten luz dependiendo del material semiconductor.
Producirán destellos luminosos de color rojo, amarillo, naranjo o azul.
Bandas de energía, cuando un átomo de silicio está aislado, el orbital de un
electrón solo está influenciado por las cargas del átomo aislado, sin
embargo cuando lo átomos de silicio se encuentran en un cristal, el orbital
de cada electrón también está influenciado por las cargas de otros átomos
de silicio. Puesto que cada electrón tiene una posición única dentro del
cristal, es decir que no hay dos electrones que vean exactamente dos
patrones de cargas circundantes. Debido a esto el orbital de cada electrón es
diferente.
En la siguiente figura se muestra lo que ocurre con los niveles de energía,
todos los electrones del primer orbital tienen niveles de energía ligeramente
diferentes, ya que nunca dos electrones ven exactamente el mismo entorno
de cargas. Dado que hay miles de millones de electrones en el primer
orbital, los distintos niveles de energía ligeramente diferentes forman un
grupo o banda de energía. De forma similar hay miles de millones de
electrones en el segundo orbital, todos ellos con niveles de energía
diferentes que forman la segunda banda de energía y así sucesivamente
podemos formar las distintas bandas de energía. Además como ya sabemos
la energía térmica produce unos pocos electrones y huecos libres. Los
huecos pertenecen a la banda de valencia pero los electrones libres saltan a
la banda de energía inmediatamente superior, se denomina banda de
conducción. En la figura superior vemos en la banda de conducción a
algunos electrones libres y en la banda de valencia a algunos huecos.
Cuando se cierra el interruptor aparece una pequeña corriente en el
semiconductor puro. Los electrones libres se mueven a través de la banda
de conducción y los huecos a través de la banda de valencia.
Banda de energía del tipo n,
En la figura superior se muestra las bandas de energía de un semiconductor
del tipo n, como era de esperarse los portadores mayoritarios son los
electrones libres de la banda de conducción y los portadores minoritarios
son los huecos en la banda de valencia, cuando el circuito se cierra los
portadores mayoritarios fluyen a la izquierda y los portadores minoritarios
a la derecha.
Banda de energía del tipo p,
En la figura se muestra la banda de energía de un semiconductor del tipo p,
ahora lo portadores mayoritarios son los huecos en la banda de valencia y
lo portadores minoritarios son los electrones libres en la banda de
conducción. De igual manera cuando se cierra el circuito los huecos fluyen
a la derecha y lo electrones libres hacia la izquierda.
La barrera de energía, para poder comprender los tipos más avanzados de
semiconductores necesitaremos saber cómo poder controlar los niveles de
energía en funcionamiento de la unión pn.
Antes de la difusión,
En la figura vemos una unión abrupta de los dos semiconductores. Se ve
que la región del lado p está ligeramente elevada del lado n. ¿Por qué las
bandas de energía del lado p, están más altas que la del lado n?
Sabemos que el lado p tiene átomos trivalentes con una carga neta en la
parte interna de más 3, por otro lado se intuye a ciencia cierta que lo
átomos que conforman el lado n, son átomos pentavalentes con una carga
neta en la parte interna de más 5. Una carga de mas 3 atrae menos a un
electrón en que una carga de más 5. Por lo tanto los átomos del lado p, son
ligeramente mas grandes que las del lado n. una unión como el de la figura
es una idealización porque el lado p no pude terminar de repente justo
donde comienza el lado n, el diodo real sufre un cambio gradual de un
material al otro. En la figura siguiente mostramos un diagrama de energía
mas realista de un diodo de unión pn.
Silicio y germanio, en átomo de silicio la distancia entre la banda de
valencia y la banda de conducción se denomina banda prohibida. Cuando la
energía térmica produce electrones libres y huecos tiene que proporcionar a
los electrones de valencia la energía suficiente para saltar a la banda de
conducción. Cuando mayor es la banda prohibida, más difícil es que la
energía térmica genere pares de electrón-hueco. Afortunadamente la banda
prohibida del silicio es grande, lo que significa que la energía térmica no
puede generar muchos pares de electrón-hueco a temperaturas normales.
Cosa que no se pude decir los átomos de germanio ya que su banda
prohibida es más próxima, este es el fallo que hemos mencionado
anteriormente.
Fotodetectores.La definición básica de un fotodetector radica en su funcionamiento como
transductor de luz que proporciona una señal eléctrica como respuesta a la
radiación óptica que incide sobre la superficie sensora.
Existen dos tipos fundamentales de detectores de luz, los térmicos y los
fotónicos que operan con mecanismos de transducción diferentes.
Los detectores térmicos absorben (detectan) la energía de los fotones
incidentes en forma de calor con lo que se produce un incremento en la
temperatura del elemento sensor que implica también un cambio en sus
propiedades eléctricas como por ejemplo la resistencia. El cambio en esta
propiedad eléctrica en función del flujo radiante recibido es lo que permite
su medida a través de un circuito exterior. La mayoría de esta clase de
fotodetectoresson bastante ineficientes y relativamente lentos como
resultado del tiempo requerido para cambiar su temperatura, lo que les hace
inadecuados para la mayor parte de las aplicaciones fotónicas.
Los detectores fotónicos no utilizan la energía del fotón en forma de calor,
sino que la invierten en incrementar la energía de sus portadores de carga,
con lo que se modifican las propiedades de conducción eléctrica de los
sistemas detectores en función del flujo de fotones recibido. Este proceso
de conversión implica la transformación de los fotones incidentes en
electrones, pero esta respuesta simple no tendría ninguna relevancia si esos
electrones no se ponen en movimiento para generar una corriente, que es la
magnitud que realmente podemos medir, para ello en ocasiones hay que
aplicar un campo eléctrico, dando lugar a un esquema como el de la figura:
Dado su origen, la corriente así generada recibe el nombre de fotocorriente.
Es a esta clase de detectores a la que nos vamos a dedicar en este informe.
Propiedades de los detectores fotonicos, Son los más utilizados en los
sistemas de comunicaciones, y como ya se ha dicho, están basados en la
capacidad de ionización de un material semiconductor, de forma que los
diferentes dispositivos que veremos no son más que variaciones de este
mismo principio. Para caracterizar el comportamiento de estos detectores,
existen unos parámetros fundamentales a tener en cuenta en el proceso de
selección para cada aplicación particular. Estos parámetros son
 Eficiencia cuántica
 Responsividad
 Tiempo de respuesta
 Características de ruido
En general, los fabricantes de dispositivos proporcionan datos relacionados
con estas características fundamentales, aunque en ocasiones no se den
éstos de manera explícita. Aparte de la información de los dispositivos
como detectores de radiación, también hay que tener en cuenta sus
propiedades eléctricas en virtud de las características de componente
electrónico que presentan. A lo largo del tema podremos ver algunos
ejemplos de cómo trabajar con estos datos.
En principio, vamos a dar una breve descripción de los parámetros básicos
enumerados anteriormente, indicando los factores más importantes de que
dependen cuando sea necesario.
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. Dado que en general tendremos una elevada
cantidad de fotones incidiendo sobre la superficie del detector, podemos
escribir la eficiencia cuántica como:
No todos los fotones incidentes generan portadores que contribuyan a
la fotocorriente, los efectos de reflexión en la superficie, transparencia del
material a los fotones de energía inferior a la del gap de energía prohibida
del mismo, la probabilidad de absorción cerca de la superficie del
dispositivo y la rápida recombinación de portadores en este caso por la
abundancia de defectos, hace que la eficiencia cuántica se reduzca. Si
tenemos en cuenta estos factores, la eficiencia cuántica total vendrá dada
por:
En la expresión anterior, aparecen tres términos diferentes que afectan a la
eficiencia cuántica. El primero da cuenta de los efectos de reflexión en la
superficie del dispositivo, es decir, de todos los fotones incidentes una
fracción no penetra en el material. El segundo término (ξ) hace referencia a
la fracción de los fotones incidentes que penetran en el material generando
pares electrón-hueco y que evitan la recombinación superficial de
portadores de carga, con lo que contribuyen a la generación de corriente
útil. El problema de la recombinación superficial puede minimizarse si se
realiza un crecimiento cuidadoso de los cristales que forman los
dispositivos. Finalmente, aparece un término que da cuenta de la fracción
de fotones absorbidos en el material masivo. Aparecen parámetros tales
como el coeficiente de absorción del material (α [cm1]) y la profundidad
del fotodetector (d [cm]). La obtención de este término tiene en cuenta el
flujo de fotones incidente Φo y los absorbidos en función de la capacidad
de absorción del material (figura 1.3). Si tenemos en cuenta la expresión de
los fotones absorbidos se tendrá:
Es fácilmente deducible el tercer término de la expresión de eficiencia
cuántica.En la figura 1.2 puede verse una representación esquemática de
todos los fenómenos que intervienen en el valor final del factor de la
eficiencia cuántica.
Fig. 1.2 Factores que intervienen en la eficiencia cuántica de un
fotodetector
Debemos notar que el coeficiente de absorción en la ecuación cuántica total
depende de la longitud de onda. Este es uno de los factores principales por
los que la eficiencia cuántica del dispositivo que utilicemos dependerá
también de la longitud de onda. Esta circunstancia da lugar a la necesidad
de utilizar diferentes materiales dependiendo del rango de longitudes de
onda a detectar (figura 1.3). En efecto, si λ >λC, nos encontraremos
con η <<, por lo que no será posible la detección de esa longitud de onda.
Si por el contrario λ << λC, se da el fenómeno de absorción superficial, lo
que como ya sabemos hace que la recombinación de portadores se de en un
tiempo tancorto que no se genera fotocorriente. En este caso también η <<.
Figura 1.3 Coeficientes de absorción para varios materiales
semiconductores
Responsividad.-es un dato que suelen suministrar los fabricantes de
dispositivos (figura 1.4) y que hace referencia a la corriente que circula por
el mismo en función de la potencia óptica incidente. Si cada fotón incidente
generase un par electrón-hueco, un flujo de fotones φ produciría el mismo
flujo de electrones, con lo que tendríamos una fotocorriente
Por tanto, una potencia óptica incidente
Generaría una corriente eléctrica
Pero debemos tener en cuenta la fracción de fotones útiles en la generación
de esa corriente, y ese valor nos lo proporciona la eficiencia cuántica, por
tanto
Según las diferentes relaciones que aparecen en la ecuación anterior, La
responsividad crece con λ hasta que se alcance el valor de la longitud de
onda de corte λC. Al presentar una dependencia con λ, los fabricantes
pueden proporcionar bien una figura con el rango total de longitudes de
onda para las que es útil el dispositivo (fig. 1.4b) o el dato para a la λ a que
laresponsividad es máxima (fig. 1.4a). La responsividad del detector puede
degradarse cuando la potencia óptica incidente es muy elevada. Se produce
entonces la saturación del detector, es decir, se pierde la relación lineal
entre la potencia óptica recibida y la corriente generada según la ecuación
superior. En general, la responsividad dependerá también de factores como
la temperatura y el ángulo de incidencia de la radiación sobre el detector
(figura 1.4c). Un dato a tener en cuenta es que la responsividad puede
recibir diferentes nombres en las hojas de características de dispositivos, así
en ocasiones nos encontraremos con que aparece el dato como
fotosensibilidad, sensibilidad, sensibilidad espectral, etc. En estos casos
siempre es útil observar las unidades que se ofrecen. Algunos dispositivos
pueden presentar ganancia, por lo que las expresiones para la corriente y la
responsividad de la expresión de la ecuación de la responsivilidadpueden
generalizarse sin más que multiplicar por ese factor de ganancia.
Tiempo de respuesta.-Va a ser un parámetro decisivo cuando la radiación
incidente varía en el tiempo. Es un dato que también aparece especificado
por los fabricantes para cada dispositivo particular, aunque en general
podemos decir que los fotodiodos y sus variantes van a ser más rápidos que
los fotoconductores, siempre tendremos que referirnos a los datos de las
hojas de características. La rapidez en la respuesta a las variaciones del
flujo de fotones recibido dependerá del propio material, de las
características constructivas del componente y del circuito electrónico al
que se encuentre acoplado. Aún con ciertas precauciones en el siguiente
dato, los valores típicos en la respuesta de los detectores fotónicos suelen
ser inferiores al µs. Este dato puede aparecer en las hojas de
especificaciones bajo diferentes formas, como tiempo de subida y bajada,
como frecuencia de operación, etc.
Fig. 1.4 a) Valor de la sensibilidad espectral (responsividad) para una
longitud de onda fija, b) Valores relativos de la responsividad en función de
la longitud de onda y c) Responsividad en función del ángulo de incidencia.
Características de ruido.-Ya conocemos la respuesta ideal de un
fotodetector a la potencia óptica recibida. Sin embargo el dispositivo
también genera una corriente aleatoria que fluctúa en torno a su valor
medio, y estas fluctuaciones pueden llegar a ser críticas cuando en nuestra
aplicación tengamos bajos niveles de luz. Entre las posibles fuentes de
ruido, podremos encontrar la llegada de fotones no deseados al detector, la
generación espontánea de pares eh (corriente de oscuridad), ruido de
ganancia y el ruido asociado a los circuitos electrónicos del receptor.
Detectores de luzfotonicos tipos y caracteristicas.-
Existen dos dispositivos que se suelen utilizar en las comunicaciones
ópticas para la detección de la energía luminosa.
 Diodos PIN (tipo p-tipo n intrínseco)
 APD (fotodiodos de avalancha)
Diodos PIN.- un diodo pin es un fotodiodo de capa de agotamiento, y es
probable que sea el dispositivo más usado como detectores de luz en
sistemas de comunicaciones con fibra óptica.
En la figura se muestra el esquemático básico del diodo PIN. Una capa
dopada muy ligeramente (casi pura intrínseca) de material semiconductor
tipo n se encierra entre la unión de dos áreas de contacto tipo p y tipo n.
La luz entra al dispositivo a través de una ventana muy pequeña y cae sobre
el material intrínseco carente de portadores. El material intrínseco se hace
lo suficientemente grueso como que para la mayoría de los fotones que
entra al dispositivo queden absorbidos por esta capa. En esencia el
fotodiodo PIN funciona exactamente al contrario de un LED. La mayoría
de los fotones quedan absorbidos por electrones de la banda de valencia del
material intrínseco. Cuando se absorben los fotones agregan la energía
suficiente para generar portadores en la región de agotamiento y permiten
el paso de la corriente por el dispositivo.
Los fotodiodos PIN de silicio se utilizan como receptores ópticos en las
longitudes de onda entre 0,8 y 1 um. Para aumentar la sensibilidad del PIN
se utilizan fotodiodos PIN –con preamplificador FET– que poseen un
ancho de banda amplio, pudiendo ser utilizados para diferentes longitudes
de onda y diferentes tipos de fibras. Los fototipos de InGaAs son más
convenientes para combinar con emisores Láser y trabajan en segunda y
tercera ventana.
Efecto fotoeléctrico,
Los fotones son partículas que viajan a la velocidad de la luz, pero que en
reposo no tienen masa.Un átomo tiene varios niveles de energía, o estados;
el mínimo nivel es un estado fundamental, un nivel de energía mayor que
el estado fundamenta se llama estado excitado, si un átomo que tiene un
nivel de energía decae a un nivel inferior la perdida de energía (el electrón
volts), se emite en forma de fotón, la energía del fotón es igual a la
diferencia entre las dos energías de los niveles ya dichos. El proceso de
decaer de un nivel de energía a otro se llama “decaimiento espontaneo” o
emisión espontanea. Los átomos pueden irradiarse mediante una fuente
luminosa cuya energía sea igual a la diferencia entre el estado fundamental
y otro nivel de energía. Esto puede hacer que el un electrón cambie de uno
a otro nivel de energía, absorbiendo energía luminosa. El proceso de pasar
de uno a otro nivel de energía se llama absorción, cuando se hace la
transición de un nivel a otro el átomo absorbe un paquete de energía
llamado fotón, este proceso se parece al de la emisión. La energía
absorbida o emitida (el fotón) es igual a la diferencia entre los dos niveles
de energía:
EP = E2 – E1
Donde EP es la energía del fotón.
También se puede decir que:
EP = hf
Siendo, h = constante de Planck = 6.625 × 10−34 J-s
f = frecuencia emitida en (Hz)
También la energía de fotones se puede expresar en términos de longitudes
de onda.
𝑕𝑐
𝜆
La luz que entra por la ventana del diodo PIN se absorbe en el material
𝐸𝑃 =
intrínseco y agrega la energía suficiente para hacer que los electrones
puedan pasar de la banda de valencia a la banda de conducción, el aumento
en la cantidad de electrones que pasan a la banda de conducción produce un
aumento en la cantidad de huecos en la banda de valencia. Para hacer que
una corriente pase por el fotodiodo, se debe de absorber la luz de la energía
suficiente para comunicar a los electrones de valencia la energía suficiente
para que salten a la banda prohibida, para el silicio es de 1.12eV (electrón
volts). La descripción matemática es la siguiente:
La equivalencia de unidades de energia es de:
1 𝑒𝑉 = 1.6 × 10−19 J
Así, la banda prohibida para el silicio es,
1.6 × 10−19 𝐽
𝐸𝑔 = 1.12 𝑒𝑉 (
)
𝑒𝑉
𝐸𝑔 = 1.792 × 10−19 𝐽
Y la energía (E) =hf
En donde: h = constante de Planck = 6.625 × 10−34 J/Hz
f = frecuencia emitida en (Hz)
𝑓=
𝐸
𝑕
Para el fotodiodo de silicio:
1.792 × 10−19 𝐽
𝑓=
6.6256 × 10 −34 𝐽/𝐻𝑧
𝑓 = 2.705 × 10 14 𝐻𝑧
En términos de longitudes de onda:
𝜆=
𝑐
𝑓
𝜆 = 1109 𝑛𝑚/𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜
Así la luz de longitudes de onda de 1109nm o menores, o de frecuencias de
2.705 × 10 14 𝐻𝑧 o mayores, es la que se requiere para que haya electrones
suficientes que salten la banda prohibida de un fotodiodo de silicio.
Fotodiodo de avalancha.- en la figura se muestra un diagrama de la
construcción de un fotodiodo de avalancha:
(APD, de avalanchephotodiode). Un APD es una estructura PIPN, la luz
entra al diodo y se absorbe en la capa n, que es delgada y muy dopada,
entre la unión IPN se desarrolla una gran intensidad de campo eléctrico, por
la polarización inversa que causa ionización por impacto. Durante la
ionización por impacto un portador puede adquirir la energía suficiente
para ionizar otros electrones enlazados, estos portadores ionizados a su vez
provocan más ionizaciones. El proceso continúa como una avalancha y es
de hecho a una ganancia o multiplicación interna de portadores en
consecuencia los APD son más sensibles que los diodos PIN y requieren
menos amplificación adicional.
Se podría afirmar que en forma básica que un APD es un diodo PIN con
una fuerte polarización en inversa, puede llegar a ser del orden de los miles
de voltios en comparación con los 3 del diodo PIN y fotodiodo.
La principal diferencia estructural es que la zona intrínseca se dopa
ligeramente del tipo p y se la renombra como capa Pi, típicamente es mas
ancha que la zona i y se diseña de forma que el campo eléctrico a través de
ella sea lo mas uniforme posible como se ve en la figura:
La desventaja de los fotodiodos APD son los tiempos de transito
relativamente grandes, ruido adicional, generado internamente debido al
facto de multiplicación por avalancha.
Una configuración básica es el de recetor de detección directa, el
fotodetector convierte el flujo de fotones incidentes en flujo de electrones,
después esa corriente es amplificada y procesada.
Modelo de un típico 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 PIN. Existen dos tipos de alternancia
para superar esta limitación; una es un fotodiodo de avalancha APD, donde
el mecanismo de multiplicación de corriente fotogenerada en el fotodiodo
amplifica la señal fotodetectada. La segunda alternativa es la utilización de
un pre-amplificador óptico antes del fotodetector, para amplificar la señal
óptica ante de la detección
Modelo de un receptor típico con detección directa utilizando un preamplificador óptico.
Una configuración más compleja de receptor óptico 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. En la
figura se presenta le esquemático simplificado de un receptor óptico con
detección coherente.
Modelo de un típico receptor óptico con detección coherente
En el caso del esquema coherente, la señal detectada posee una frecuencia
intermediaria dada por:
𝐹 𝑓𝑖 =
𝑓𝑠 − 𝑓𝑙𝑜
Donde, F (fi) es a frecuencia intermediaria, fs es la frecuencia de la señal
recibida y flo es la frecuencia del oscilador local.
En los sistemas homodinos, la frecuencia intermedia es igual a cero, y en
los heterodinos, la frecuencia es distinta de cero, o sea el espectro esta
simplemente trasladado en frecuencia; de la frecuencia óptica para la
frecuencia intermediaria. Por su parte en un sistema homodino como la
frecuencia intermedia es nula, ocurre una concentración de las energías de
las dos bandas laterales en una única banda existente.
Debemos considerar los mismos parámetros básicos para diferenciar las
características de los receptores analógicos como digitales. Los parámetros
de los receptores analógicos son la: linealidad o distorsión y el ancho de
banda, mientras que para receptores digitales la linealidad no es de suma
importancia y el ancho de banda se remplaza por la máxima velocidad de
transmisión. La potencia de ruido equivalente de un receptor es
generalmente mayor que la de un fotodetector solo. Otras consideraciones
son la relación señal/ruido para los receptores analógicos y la tasa de
errores (número de bits equivocados recibidos) para receptores digitales, se
debe notar que la fuente principal de ruido en un receptor es la etapa
amplificadora que sigue al fotodetector.
Debemos considerar las características eléctricas de salida (codificación
para transmisores digitales y nivel e impedancias de salidas para los
analógicos). Muchos receptores tienen circuitos de control automático de
ganancia “CAG” para mantener el mismo nivel de salida cualquiera sea el
nivel de entrada. Dado que el rango de nivel de entrada está limitado por el
fotodetector, hay una potencia máxima sobre la cual se satura y una
potencia mínima que representa la mínima detectable. Esta última es de
suma importancia para determina la longitud de la fibra que se puede usar
son regeneradores ópticos, otras características importantes de los
fotodetectores son el rango de longitudes de onda de trabajo y el tipo de
encapsulado deben ser considerados al elegir.
Los receptores ópticos actuales se basan en uno de los dos tipos de
detectores: el fotodiodo de avalancha APD y el diodo PIN seguido por un
preamplificador de entrada FET (Transistor de Efecto de Campo). Para
señales digitales binarias, el caso más común basta con 22dB de relación
señal/ruido. Un APD de calidad (de bajo ruido) podría dar una sensibilidad
superior. Las relaciones señal eficaz de portadora/ruido eficaz en señales
analógicas han de estar entre los 30dB y los 65dB.
Si las señales están moduladas en intensidad, el ruido dominante es el
granular (shot) asociado a la corriente media de la señal, para relaciones
portadora/ruido mayores de unos 40dB. En estos casos la mejor opción son
los receptores PIN-FET.
Ruido en los receptores ópticos.- La 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 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 perfecto, hay un límite fundamental en el cual el
rendimiento sólo depende del ruido granular en la corriente media de la
señal. Corrientemente 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 “l” si se quiere obtener una tasa de error de 10-9 en sistemas digitales.
Anexos.-
Conclusiones. Los APD son más sensibles que los diodos PIN y requieren de
menos amplificación adicional. Las desventajas de los APD son lo
tiempos de transición, relativamente largos y ruido adicional
generado internamente. Debido al factor de multiplicación de
avalancha.
 Los receptores PIN y APD según el material con el que varian las
características de los mismos dando como resultado diferentes tipos
de longitudes de onda.
 Los receptores PIN y APD también sirven para demostrar en que
ventana de trabajo de longitudes de onda esta.
 Se vio que los fotodetectoresfotonicos son más eficientes que los
recetores ópticos térmicos en sistemas de comunicaciones con cables
de fibra óptica.
Bibliografía. Fibras ópticas la gran maravilla moderna arias, Daniel-Rescaño,
Santiago-Martínez.
 Tecnologías de la fibra óptica: fuentes luminosas de
semiconductores. Davies – Goodwin.
 Sistemas de comunicaciones eléctricas cuarta edición “Wayne
Tomasi”.
 Universidad técnica Federico Santa María “Departamento de
Electrónica – Receptores Ópticos”.