FIBRA ÓPTICA Telecom. Integrantes: Victor Hugo Oña Donaire Brian Quenallata Mendo Alex Espinoza Luna. Docente: Ing. Felix Pinto 21/04/2016

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1 2016 FIBRA ÓPTICA Telecom Integrantes: Victor Hugo Oña Donaire Brian Quenallata Mendo Alex Espinoza Luna Docente: Ing. Felix Pinto 21/04/2016

2 INDICE 1. INTRODUCCIÓN MARCO TEORICO RECEPTOR OPTICO PARAMETROS CARACTERISTICOS EFECTO FOTOELECTRICO TIPOS DE FOTODETECTORES FOTOFIODO PIN Fotodiodo De Avalancha APD AMPLIFICADORES CARACTERÍSTICAS PARÁMETROS CONCLUSIONES BIBLIOGRAFIA... 11

3 RECEPTORES OPTICOS 1. INTRODUCCIÓN En las comunicaciones a través de fibras ópticas los receptores ópticos son los dispositivos encargados de tomar una señal luminosa y convertirla a la señal eléctrica en forma de voltaje o corriente en con el objetivo de transportar información a través de la fibra. La complejidad 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 va a modular. El principal componente de un receptor óptico es una célula fotoeléctrica, que convierte la luz en electricidad mediante el efecto fotoeléctrico. El fotodetector es un fotodiodo basado en semiconductores. Hay varios tipos de fotodiodos, entre los que se incluyen: fotodiodos PN, fotodiodo PIN y fotodiodos de avalancha. 2. MARCO TEORICO RECEPTOR OPTICO 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. Una configuración básica es el receptor de detección directa, el fotodetector convierte el flujo de los fotones incidentes en un flujo de electrones. Después esta corriente es amplificada y procesada. Existen dos tipos de fotodiodos usuales para recepción óptica, fotodiodo PIN y fotodiodo de avalancha APD. RECEPTORES ÓPTICOS Página 1

4 El principal componente del Rx es el FOTODETECTOR, que convierte la luz en electricidad a través del EFECTO FOTOELÉCTRICO DETECTORES ÓPTICOS. 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 son: 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 nanoamperios y por lo tanto se requiere de una amplificación para manipular adecuadamente la señal PARAMETROS CARACTERISTICOS 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 (l d ): Corriente de ruido generada por un fotodetector producto de proceso espontaneo de generación-recombinación. RECEPTORES ÓPTICOS Página 2

5 Tiempo de Subida (t r ): Tiempo de respuesta a un escalón en que la señal fotodetectada pasa del 10% al 90% de su valor final. Tiempo de Bajada (t f ): 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 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 RECEPTORES ÓPTICOS Página 3

6 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 cerro. 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). RECEPTORES ÓPTICOS Página 4

7 2.5. TIPOS DE FOTODETECTORES Los principales tipos de receptores son: Fotodetectores PIN. Fotodetectores PIN con preamplificadores FET. Fotodetectores de avalancha APD FOTOFIODO PIN El fotodiodo PIN es 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 a que no tiene mecanismo de ganancia. El diodo PIN 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 electrón-hueco. 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 ultima. a) Funcionamiento RECEPTORES ÓPTICOS Página 5

8 Entre los diodos APD y PIN, este último es el más utilizado como detector de luz en los sistemas de comunicaciones por fibra óptica. Este diodo está conformado por una capa intrínseca, casi pura, de material semiconductor, introducida entre la unión de dos capas de materiales semiconductores tipo n y p Fotodiodo De Avalancha APD Los APD también son diodos polarizados en inversa, pero en este caso las tensiones inversas son elevadas, originando un fuete campo eléctrico que acelera los portadores generados, de manera que estos colisionas con otros átomos del semiconductor y generan,as pares electrón-hueco. Esta ionizacion 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 al tiempo necesario para que se forme la fotoavalancha. RECEPTORES ÓPTICOS Página 6

9 Este diodo está conformado por una capa intrínseca, casi pura, de material semiconductor, introducida entre la unión de dos capas de materiales semiconductores tipo n y p AMPLIFICADORES a) óptico En fibra óptica, un amplificador óptico es un dispositivo que amplifica una señal óptica directamente, sin la necesidad de convertir la señal al dominio eléctrico, amplificar en eléctrico y volver a pasar a óptico. RECEPTORES ÓPTICOS Página 7

10 b) Amplificadores en fibra son amplificadores ópticos que usan fibra dopada, normalmente con tierras raras. Estos amplificadores necesitan de un bombeo externo con un láser de onda continua a una frecuencia óptica ligeramente superior a la que amplifican. Típicamente, las longitudes de onda de bombeo son 980 nm o 1480 nm y para obtener los mejores resultados en cuanto a ruido se refiere, debe realizarse en la misma dirección que la señal. Un amplificador óptico es capaz de amplificar un conjunto de longitudes de onda (WDM, wavelength division multiplexing) CARACTERÍSTICAS Las características difieren entre los diodos PIN Y APD a) Costo Los diodos APD son más complejos y por ende más caros PIN vs APD PhotoMax-200/PIN $9, PhotoMax-200/APD $11, PhM-PIN $1, PhM-APD $3, PIN-08-GL $ PIN $ PIN $ Costos de los dispositivos de receptores ópticos b) Sensibilidad Tanto en los fotodiodos PIN y APD son de alta sensibilidad, pero los PIN-FET son aun más sensibles como los APD. RECEPTORES ÓPTICOS Página 8

11 c) Rendimiento Alto rendimiento y conversión opto-eléctrica d) Otras características en tablas RECEPTOR NIVEL DE SENSIBILIDAD VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN LONGITUD DE ONDA PIN -34 dbm 2 a 34 Mbps 1 a y 2 a ventana PIN-FET APD -53 dbm 2 Mbps -47 dbm 34 Mbps -56dBm 2 Mbps -50 dbm 34 Mbps 2 a y 3 a ventana 2 a y 3 a ventana e) Combinación Emisor-Receptor según Longitud de Onda Tipo de Fibra Tipo de Emisor Tipo de Receptor Lambda 850 Fibra multimodo Emisores LED (GaAs) o Receptores PIN de nm (gradiente inducido). Láser. silicio. Lambda 1300 Fibra multimodo o Emisores Láser Receptores PIN de nm monomodo. (GaInAsP). InGaAs. Lambda 1550 Fibra monomodo (tipo Receptores APD nm NZD). Emisor Láser. (GaInAsP) PARÁMETROS. Debemos considerar los mismos parámetros básicos para diferenciar las características de los receptores analógicos y digitales. Los parámetros de los receptores analógicos son la linealidad o distorsión y el ancho RECEPTORES ÓPTICOS Página 9

12 de banda, mientras que para receptores digitales la linealidad no es importante y el ancho de banda se reemplaza por la máxima velocidad de transmisión. La potencia de ruido equivalente de un receptor es generalmente mayor que en la de un fotodetector sólo. 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 el receptor es la etapa amplificadora que sigue al fotodetector. Debemos considerar las características eléctricas de salida (codificación para transmisores digitales y nivel e impedancia de salida para las analógicas). 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 del nivel de entrada esta 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 importante para determinar la máxima longitud de fibra que se puede usar sin repetidores. Otras características ópticas de los fotodetectores tales como 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. RECEPTORES ÓPTICOS Página 10

13 3. CONCLUSIONES Los foto diodos APD son mucho más sensibles que los fotodiodos diodos PIN y requieren de menos amplificación adicional. Sin embargo las desventajas de los APD son los tiempos de transición que son relativamente largos y ruido adicional internamente generado, debido al factor de la multiplicación de avalancha. También podemos decir que 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. 4. BIBLIOGRAFIA RECEPTORES ÓPTICOS Página 11