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DETECTORES OPTICOS
INTRODUCCIÓN
El principal componente de un receptor óptico es una célula fotoeléctrica, que convierte la luz en
electricidad mediante el efecto fotoeléctrico. El fotodetector es típicamente un fotodiodo basado en
semiconductores. Hay varios tipos de fotodiodos, entre los que se incluyen: fotodiodos PN, fotodiodo
PIN y fotodiodos de avalancha.
MARCO TEORICO
Un Receptor Óptico 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).
RECEPTOR
En el extremo opuesto de la fibra óptica se encuentra el receptor, cuya finalidad consiste en convertir
la señal óptica en señal eléctrica. El receptor consta de un detector de pulsos de luz que los convierte
en señal eléctrica. Esta señal se amplifica y se reforma para obtener la señal original.
El principal componente del Rx es el FOTODETECTOR, que convierte la luz en electricidad a través
del EFECTO FOTOELÉCTRICO.Losfotodetectores más comunes son los diodos PN, PIN, PIN-FET y
APD.
EFECTO FOTOELECTRICO
Si dejamos que una luz monocromática iniciada sobre una superficie metálica, los electrones pueden
ser
arrojados
de
ella.
Sus
características
esenciales
son:

Para cada sustancia hay una frecuencia mínima o umbral de la radiación electromagnética por
debajo de la cual no se producen fotoelectrones por más intensa que sea la radiación.

La emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiación que incide
sobre la superficie del metal, ya que hay más energía disponible para liberar electrones
Los fotones del haz de luz tienen una energía característica determinada por la frecuencia de la luz. En
el proceso de fotoemisión, si un electrón absorbe la energía de un fotón y éste último tiene más
energía que la función trabajo, el electrón es arrancado del material. Los electrones pueden absorber
energía de los fotones cuando son irradiados, pero siguiendo un principio de "todo o nada". Toda la
energía de un fotón debe ser absorbida y utilizada para liberar un electrón de un enlace atómico, o sino
la energía es re-emitida. Si la energía del fotón es absorbida, una parte libera al electrón del átomo y el
resto contribuye a la energía cinética del electrón como una partícula libre.
Si el receptor esta en un potencial mas alto que el emisor y la diferencia es bastante grande la
corriente alcanza una constante.
Si reducimos a cero la diferencia, la corriente eléctrica no disminuye a cero. Pero si invertimos el signo
y la diferencia es lo bastante grande, inclusive los electrones con mayor energía son devueltos al
emisor sin chocar con el receptor y la corriente eléctrica respectivamente se reduce a cero. El modulo
de esta diferencia de potencial negativa recibe el nombre de potencial de frenado.
Se podría decir que el efecto fotoeléctrico es lo opuesto a los rayos X, ya que el efecto fotoeléctrico
indica que los fotones pueden transferir energía a los electrones. Los rayos X (no se sabía la
naturaleza de su radiación, de ahí la incógnita "X") son la transformación en un fotón de toda o parte
de la energía cinética de un electrón en movimiento. Esto se descubrió casualmente antes de que se
dieran a conocer los trabajos de Planck y Einstein (aunque no se comprendió entonces).
DETECTORES OPTICOS
Son los encargados de transformar las señales luminosas en señales eléctricas. En los sistemas de
transmisión analógica el receptor debe amplificar la salida del fotodetector y después demodularla para
obtener la información. En los sistemas de transmisión digital el receptor debe producir una secuencia
de pulsos (unos y ceros) que contienen la información del mensaje transmitido.
Las características principales que debe tener:
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Sensibilidad alta a la longitud de onda de operación
Contribución mínima al ruido total del receptor
Ancho de banda grande (respuesta rápida)
Alta fidelidad.
Amplitud de respuesta eléctrica a la señal óptica recibida.
Tiempo de respuesta corto.
Estabilidad de las características de ejecución.
Estos 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 nanos amperios y por lo tanto se requiere de una
amplificación para manipular adecuadamente la señal.
PARAMETROS CARACTERISTICOS
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Longitud de Onda (λ): Punto de operación a la cual el fotodetector optimiza su operación.
Responsividad (r): Factor de respuesta de un fotodetector, mide la eficiencia de generar
corriente eléctrica cuando incide una potencia lumínica.
Corriente de Oscuridad (ld): Corriente de ruido generada por un fotodetector producto de
proceso espontaneo de generación-recombinación.
Tiempo de Subida (tr): Tiempo de respuesta a un escalón en que la señal fotodetectada pasa
del 10% al 90% de su valor final.
Tiempo de Bajada (tf): Tiempo de respuesta a un escalón inverso en que la señal fotodetectada
pasa del 90% al10% de su valor inicial.
Potencia Equivalente de Ruido (NEP): Potencia de ruido real añadido por unidad de ancho de
banda del receptor.
Factor de Multiplicación de Avalancha (M): Factor de amplificación de corriente fotodetectada
en APDs debido al proceso interno de avalancha.
FOTODIODO PN
Es el fotodiodo más simple, consiste en una unión p-n formada en un semiconductor y con una banda
energética más estrecha que la correspondiente a la energía de un fotón de la señal que se desea
detectar.
En la juntura de materiales p-n, polarizada inversamente, los electrones son atraídos hacia el lado n,
de manera que cuando se genera un par hueco-electrón (por absorción de un fotón) en la región de
vaciamiento (depletion), éste es arrastrado hacia ese lado (drift), eso hace que aumente con el flujo de
fotones incidente.
Características del diodo P-N de la absorción dentro de la región de campo. En efecto, en el modelo
básico
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Estos fotodiodos se fabrican para que puedan generar del orden de 0.1 nA a 100nA de
fotocorriente.
No trabaja a velocidades altas.
La zona de unión es físicamente muy delgada
VENTANAS DE TRABAJO Y MATERIAL
La elección del material condiciona la eficiencia cuántica del fotodetector, en la región de 800-900 nm
deben usarse detectores de Silicio (que presentan unos rendimientos aceptables hasta 1100nm).
La segunda generación de sistemas que operan en longitudes de onda de 1330nm (segunda
ventana)y 1550 (tercera ventana)que conceden mayor atención a los fotodiodos de germanio y de
compuestos III-V In Ga As P, por ejemplo.
Fenómeno de absorción de las radiaciones incidentes
Físicamente quiere decir la longitud media de difusión (camino medio recorrido)de los fotones desde
su entrada en la sustancia considerada hasta su captación (absorción),
Con el resultado de liberación de un par electrón- hueco, denominado coeficiente de absorción.
En la figura se observa que a partir del valor de la longitud de onda el valor del coeficiente de
absorción se hace muy pequeño, con la particularidad de baja sensibilidad en el dispositivo. A este
valor se le conoce como longitud de onda de corte.
En tal sentido el silicio es empleado como detector para λ<1 um (primera ventana del infrarrojo)
Mientras que el germanio, puede usarse para λ > 1um cubriendo las ventanas segunda y tercera.
Sin embargo la utilización de detectores de Germanio presenta un inconveniente en ciertas situaciones
debido al ruido que aporta.
El fosfoarseniuro de galio e indio presenta un gran interés pues variando las concentraciones de cada
uno de los componentes de la mezcla permite modificar la magnitud de λc cubriendo igualmente las
ventanas segunda y tercera.
FOTODIODO PIN
Las prestaciones de la unión p-n elemental se mejoran acusadamente con una estructura PIN.
La denominación se corresponde con su estructura, ya que existe una región intrínseca (es decir un
poco contaminada) entre las zonas p y n de la región.
La inserción de la capa intrínseca obedece a una cuestión de eficiencia de la absorción dentro de una
región de campo.
En efecto, en el modelo básico un procedimiento de extender la zona de transición era impurificar una
de las zonas del diodo mucho menos que la otra. De esta manera en la región muy impura la zona de
transición penetra muy poco, en cambio se extenderá mucho sobre la región con menos concentración
de impurezas.
Este hecho es fácil de razonar si se tiene en cuenta que los electrones que en ausencia de
polarización parten de la zona n (electrones) próxima a la unión hacia p (huecos) (impulsados por el
fenómeno de difusión), dejando ‘al descubierto’, con carácter de iones fijos en la red cristalina a una
serie de átomos de impurezas donadoras, que también quedaran ionizados, la región p. cuanto menor
sea el número de átomos de impureza por unidad de volumen, una región mas ancha a lo largo del
dispositivo quedara afectada.
Para conseguir la generación de pares electrón-hueco, el diodo PIN debe estar polarizado en inversa
con el fin de que las cargas generadas en la zona intrínseca sean aceleradas por el campo eléctrico
presente entre las zonas p y n. Esto crea un flujo de corriente, proporcional al número de fotones
captados (energía luminosa recibida), que se dirige a los electrodos. 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 ésta última.
Características:
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Si se incrementa el ancho de la región activa se incrementa la eficiencia.
El ancho de la región de agotamiento incrementa el tiempo de tránsito de los fotones.
Es relativamente fácil de fabricar.
Altamente fiable.
Tiene bajo ruido y es compatible con circuitos amplificadores de tensión.
Sensible a un gran ancho de banda debido a que no tiene mecanismo de ganancia.
Fuentes de ruido en un fotodiodo PIN
El fenómeno de la detección fotoeléctrica lleva implícito, como hemos señalado, un mecanismo de
interacción luz-materia que es de naturaleza estadística.
Quiere esto decir que la corriente eléctrica generada poseerá una distribución gobernada por las
probabilidades de encuentro fotón electrón.
Se distinguirán las siguientes causas o tipos de ruidos:
a) Ruido tipo granalla shot Derivados de la mencionada interacción luz- materia
b) Ruidos propiamente térmicos Debido a que los electrones en un conductor poseen niveles de
energía cuyos valores instantáneos dependen de la temperatura del material.
Vemos que a diferencia de los fotoemisores, en el caso de loas fotodiodos, los niveles tan bajos de
potencia que en ocasiones deben ser detectados, implican que el dispositivo en cuestión deba
contemplarse en relación con el resto del sistema receptor.
De aquí la existencia de un parámetro fundamental: la potencia óptica mínima necesaria para obtener
una relación señal /ruido especificada.
FOTODIODO PIN-FET
Algunos receptores reúnen las funciones de detector y de amplificador (o preamplificador) en un
mismo circuito integrado que sirve como un detector-(pre)amplificador. Estos componentes son
conocidos como detector-amplificador integrado, detector-amplificadores, o pin-FETs (cuando el preamplificador usa un FET).
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. Su constitución le permite obtener señales ópticas de hasta el nano watt y
asegurar la precisión en la detección.
El circuito amplifica la señal eléctrica antes del ruido asociado a la resistencia de carga,
incrementando la relación S/N y la potencia de salida. Además, convierte la señal de corriente del
fotodiodo en señal de voltaje, como se usa en la mayoría de circuitos electrónicos. El nivel de voltaje
depende del circuito. A menudo incluyen control automático de ganancia, de modo que el nivel de
voltaje es compatible con etapas de amplificación posteriores. Los detectores-preamplificadores
integrados son muy populares para aplicaciones de velocidad moderada por su simplicidad y costo
razonable. A diferencia de los APD, no requieren voltajes de más de 5 V. Su tiempo de subida tiende
a ser más lento que en los PIN y APD, pero son muy apropiados para transmitir cientos de Mbps.
Los fototipos de InGaAs (arseniuro de indio y galio) son más convenientes para combinar con
emisores Láser y trabajan en segunda y tercera ventana:
RECEPTOR
NIVEL
SENSIBILIDAD
DE VELOCIDAD
TRANSMISIÓN
DE LONGITUD
ONDA
PIN
-34 dBm
2 a 34 Mbps
1a y 2a ventana
PIN-FET
-53 dBm
2 Mbps
2a y 3a ventana
-47 dBm
34 Mbps
DE
CARACTERÍSTICAS

Especialmente adecuado para aplicaciones de 400 nm A 1100 nm (SFH 203) y de 880 nm
(SFH 203 FA)

Es sensible a un gran ancho de banda debido a que no tiene mecanismo de ganancia.

Su constitución le permite obtener señales ópticas de hasta el nano watt y asegurar la
precisión en la detección
FOTODIODO APD (AVALANCHA)
El fotodiodo de avalancha APDes similar al fotodiodo PIN en cuanto a que trabaja polarizado en
inversa. Pero a diferencia de los diodos PIN, los APD tienen que ser polarizados a un alto voltaje (150300 V) para conseguir el efecto de avalancha, originando un fuerte campo eléctrico que acelera los
portadores generados, de manera que estos colisionas con otros átomos del semiconductor y generan
,as pares electrón-hueco. Esta ionización por impacto determina la ganancia de avalancha.
El efecto avalancha se alcanza cuando el campo eléctrico creado por la elevada tensión acelera
fuertemente los portadores, presentes en la zona intrínseca, de manera que colisionan con átomos que
componen la estructura cristalina del semiconductor.
Las colisiones ionizan los átomos, produciéndose nuevos pares electrón-hueco, debido a que los
portadores llevan la suficiente energía para que los electrones pasen de la banda de valencia a la
banda de conducción. Estos portadores secundarios a su vez vuelven a generar más portadores,
repitiéndose el proceso efecto avalancha. Esta ionización por impacto determina la ganancia interna
del dispositivo o ganancia de avalancha.
De hecho el efecto de avalancha en los fotodiodos APD puede entenderse como una amplificación de
la corriente M generada por los fotones que inciden en el dispositivo.
La ganancia de un APD tiene influencia sobre el ancho de banda. El máximo ancho de banda se da
para ganancia unidad. Con ganancias más elevadas, el ancho de banda se reduce debido al tiempo
necesario para que se forme la fotoavalancha.
A causa de su mayor ganancia los APD tienen mayor sensibilidad que los diodos PIN, esto los hace
muy atractivos para receptores de comunicación.
A pesar de sus inmejorables propiedades de sensibilidad y ancho de banda existen ciertas limitaciones
que se tienen que tener presentes a la hora de realizar un diseño:
- El factor de multiplicación M depende fuertemente del voltaje inverso aplicado y de la temperatura, lo
que hace dificultoso alcanzar una ganancia estable. Un compromiso típico entre la ganancia y la
estabilidad es M.
Otro inconveniente es la falta de linealidad debido a la caída de tensión en la resistencia de carga y de
la dependencia de M con el voltaje.
Cuando no hay luz también se genera corriente, la denominada corriente de oscuridad esto da lugar a
un ruido adicional y limita el nivel de detección de mínimo. La corriente de oscuridad también depende
del voltaje aplicado y, por lo tanto, del factor de multiplicación.
Muestra la dependencia de la relación S/N en función del factor de multiplicación, M. puede observarse
la existencia de un valor óptimo en la ganancia del fotodiodo de avalancha. Para pequeños valores de
M predomina el ruido térmico y la relación S/N es baja. Conforme crece M lo hace el nivel de señal tras
el fotodetector, y aumenta el ruido shot comienza a hacerse notar, la relación S/N alcanza un óptimo.
Por encima de esta situación la preponderancia del ruido shot y aparición del factor de ruido.
De todas maneras el dispositivo APD presenta una clara ventaja frente al PIN pues la mejoría global
de la relación S/N reduce la potencia mínima detectable en una cifra que llega a alcanzar 15dB.
La elevación de la temperatura del dispositivo debido al afecto de dispersión térmica afecta
desfavorablemente a su funcionamiento. Por una parte se incrementa el factor de acceso de ruido,
𝐹𝑎 , a causa de la alteración de las circunstancias de ionización de los electrones y los huecos. Además,
las vibraciones de los átomos en torno a sus posiciones de reposo dificulta la trayectoria de los
portadores, reduciendo el camino medio entre colisiones, con lo cual el propio parámetro M aparece
reducido. Estos efectos se manifiestan sobre las curvas características del fotodiodo de avalancha.
Con el fin de reducir el ruido de exceso por avalancha (una vez comprobada experimentalmente la
idoneidad de iniciar el proceso predominante de electrones) se procura penetren los fotones incidentes
hasta la región p donde se producirá el intercambio luz-materia. Por ello se estrecha lo más posible la
región n superficial, y se impurifica esta fuertemente con el fin de que la región de transición se
prolongue extensamente dentro de la zona p.
El anillo de guarda que envuelve la zona activa se dimensiona en tamaño, forma y concentración de
impurezas para que su tención de ruptura sea superior a la correspondiente a la zona central. De esta
forma se evita el que ocurran focalizaciones de la corriente en la parte del contorno de la región útil
con peligro para la integridad del dispositivo.
El material más utilizado para la fabricación de fotodiodos de avalancha en la primera ventana es de
silicio. Existen dispositivos que presentan eficiencias en torno al 80%, factores de ganancia a 100,
velocidad de conmutación que permite ancho de banda de más de 1GHz, y tiempos de vida por encina
de 106 horas.
El germanio se emplea en las ventanas segunda y tercera. Presenta el ya referido problema de una
corriente de oscuridad excesiva, agravada por su dependencia de la temperatura. Igualmente el factor
de exceso de ruido por avalancha es relativamente elevado. No es conveniente emplear ganancias
superiores a 40 ó 50 con este material por la degradación de la señal debido a la acumulación de
efectos de ruido.
El uso del germanio está siendo sustituido por dispositivos construidos con Ga As In P sobre sustrato
de In P que prácticamente cubren toda la gama de las ventanas de 1,2 a 1,6 um. La idoneidad de este
material en la tercera ventana, así como su discreto comportamiento en la segunda, como se observa
en la siguiente figura
CARACTERÍSTICAS
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Con ganancias más elevadas.
El ancho de banda se reduce debido al tiempo necesario para que se forme la
fotoavalancha.
VENTANA DE TRABAJO SEGÚN EL MATERIAL DEL APD
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APD de silicio (longitudes de onda entre 600 a 900 nm).
APD de InGaAs arseniuro de galio e indio (longitudes de onda entre 1200 a 1600 nm).
APD de germanio (entre1100 a 1500 nm).
APD de InGaAsP arseniuro-fosfato de galio e indio con GaAs-FET (longitudes de onda
entre 1100 a 1600 nm).
COMPARACIÓN DE LOS DOS FOTODETECTORES MÁS USADOS
El detector PIN se usa más comúnmente en enlaces de corta distancia y el ADP es muy útil en
transmisiones de larga distancia.
Por lo que se refiere a la velocidad de respuesta, ambos fotodiodos pueden trabajar actualmente
a velocidades muy altas de transmisión digital.
Para el uso de estos fotodiodos utilizamos módulos y amplificadores
Como ser:
Estos módulos tienen sus características y varias marcas.
Entramos a la comparación de los fotodetectores más usados que son el PIN y el APD
- Costo:
Los diodos APD son más complejos y por ende más caros.
Los diodos PIN oscilan entre 10 – 15 $u$ y los APD entre 20 – 25 $u$.
- Vida:
Los diodos PIN presentan tiempos de vida útil superiores.
- Temperatura
Los diodos APD son más sensibles a las variaciones de temperatura.
- Velocidad
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.
CONCLUSIONES
Los APD son más sensibles que los diodos PIN y requieren de menos amplificación adicional. Las
desventajas de los APD son los tiempos de transición, relativamente largos y ruido adicional
internamente generado, debido al factor de la multiplicación de avalancha.
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.
Los receptores PIN y APD también sirve para demostrar en que ventana de trabajo las longitudes de
onda se encuentran.