COMUNICACIONES ÓPTICAS (RECEPTORES)

Transcripción

1 Departamento de Tecnología Fotónica E.T.S.I.Telecomunicación-UPM COMUNICACIONES ÓPTICAS (RECEPTORES) Santiago Aguilera Navarro

2 ESQUEMA GENERAL DE UN RECEPTOR Ruido óptico Señal Óptica µw Detector µa Amplif. Ruido eléctrico Filtro Ecualizador Sistema Decisión 0 s y 1 s Comunicaciones confinadas, ruido fundamental en receptor. Si no hubiera ruido, distancias de comunicación infinitas. Casi todos los sistemas digitales, excepto algunas redes de televisión.

3 DETECTOR Principales características que debe cumplir: Alta sensibilidad. Alta fidelidad. Alta respuesta eléctrica (Responsividad). Bajo tiempo de respuesta. Bajo ruido. Estabilidad frente a parámetros ambientales y tiempo. Pequeño tamaño (dimensiones equivalentes a diámetro de fibras). Baja tensión de alimentación. Alta fiabilidad. Bajo coste.

4 Coeficiente de Absorción (α) P x (1-R)P 0 exp (-αx)

5 COEFICIENTES DE ABSORCIÓN DE DISTINTOS MATERIALES Si y Ge Gap indirecto. Componentes III-V Gap directo Para 1ª ventana se utiliza Si, para ª y 3ª componentes III-V Ge, Gap muy pequeño y por lo tanto alta corriente de oscuridad.

6 EFICIENCIA CUÁNTICA (η) Y RESPONSIVIDAD (e< η Nº PARES ELECTRÓN - HUECO GENERADOS Nº FOTONES INCIDENTES e P CORRIENTE GENERADA POTENCIA ÓPTICA INCIDENTE R I P OP P op I q q hν hν η q hν qλη hc η MUY POCO DEPENDIENTE DE λ (valores típicos 0.3 a 0.95) e DEPENDENCIA CASI LINEAL CON λ

7 CURVAS TÍPICAS DE RESPONSIVIDAD Curvas de responsividad del silicio en un diodo PIN Valores típicos de Responsividad en diodos PIN: Si: 0.65 a 900 nm. Ge: 0.45 a nm InGaAs: 0.6 a 1.300nm

8 DETECTORES BASADOS EN SEMICONDUCTORES עh e - BC BV Si עh superior a energía Gap n p E e - n I I ev (exp KT 1) 0 I ph I ph e P.óptica I 0 Corriente de oscuridad

9 -I ph Vcc Vcc V D I ph -V D V R L Vcc I ph R L V D Vcc/R L I ph C in Cuanto mayor sea Vcc menor será C in Cte tiempo del circuito: R L C in Circuito equivalente del fotodiodo R L Compromiso: Grande: aumenta margen dinámico Pequeña: aumenta frecuencia corte.

10 DIODOS PIN Los pares electrón-hueco que no se generan en la zona de carga de espacio, no son acelerados por el fuerte campo eléctrico allí existente, y se suelen recombinar otra vez antes de alcanzar los terminales del diodo. Solución: fabricar diodos con una gran zona de carga de espacio. Además la C in será muy pequeña.

11 DIODOS APD (Avalanche Photodiode) Se hace funcionar al diodo en una zona muy próxima a la de avalancha (los diodos Zener funcionan en la zona de avalancha) Campo eléctrico muy intenso, electrones generados mucha energía, y generan nuevos pares electrón-hueco al chocar con la red cristalina.

12 FACTOR DE MULTIPLICACIÓN DEL APD Corriente total M Corriente sin multiplicación M poco estable, y afecta también al ruido I I APD ph

13 TIEMPO DE RESPUESTA DE LOS DETECTORES DEPENDE DE TRES FACTORES: Tiempo de tránsito de los pares e-h generados en la zona de deplexión. Tiempo de difusión de los pares e-h generados fuera de la zona de deplexión. RC de detector y su circuito asociado. PARÁMETROS QUE INTERVIENEN: α: coeficiente de absorción del material. W: anchura de la zona de carga de espacio. C: capacidades de la unión y del circuito asociado. R: serie del dispositivo (despreciable) y del circuito asociado.

14 FORMA DE LA RESPUESTA PARA DISTINTOS VALORES DE ESTOS PARÁMETROS

15 CARACTERÍSTICAS DISPOSITIVOS PIN y APD Si Ge InGaAs Fotodiodo P-I-N λ (nm) R (A/W) Fotodiodo APD M Vpolarización (V)

16 I I pol. I ESTUDIO DEL RUIDO t Vamos a trabajar con señales Digitales que varían de 0 a I I I pol I señal I/ t Valor medio I/ I SEÑAL I/ t Valor eficaz I/

17 DISTINTOS TIPOS DE RUIDOS QUE NOS VAMOS A ENCONTRAR

18 LÍMITE CUÁNTICO Naturaleza cuántica de la luz: en pequeños intervalos de tiempo el número de fotones que recibimos no es constante. Probabilidad de que en un intervalo de tiempo t aparezcan n fotones, cuando el valor medio es N, viene dado por la distribución de Poisson: n N P( n) N e n! P( n 0) 10 9 N 0 e N N 9ln Si enviamos en cada intervalo de tiempo t, una media de 0.7 fotones, en uno de cada 10 9 intervalos, nos llegarán cero fotones.

19 Ejemplo: sistema de comunicaciones de 1GBit/seg., Código NRZ, λ1.40nm Que potencia tengo que recibir en el receptor para tener un BER 10-9? Sistema perfecto: No tengo ningún otro ruido, y soy capaz de detectar un solo fotón. Potencia (1) 1hν 9 10 seg. 1hc λ10 9 1x6.63x x x3x10 9 x x10 11 wat. Potencia del 1 lógico será de 3.36 nw, si considero que se transmitirá el mismo número de 0 s que de 1 s, potencia media 1.68 nw-57.7dbm

20 RUIDO SHOT O GRANELLA (I) El carácter cuántico de los fotones, se comporta como un ruido óptico superpuesto a la señal que viaja por la fibra. (Ruido blanco) <i sh > qi ph BM F(M) Donde: i sh : valor eficaz de la corriente de ruido. I ph : Valor medio de la corriente generada por el fotodetector Póptica mediar B: ancho banda del circuito receptor. M: factor de multiplicación en APD, (en PIN M1) F(M): factor mayor que 1 en APD, en PIN vale 1 (se verá posteriormente).

21 RUIDO SHOT O GRANELLA (II) En situación óptima (no existe ningún otro ruido, la mejor relación S/N Que podemos obtener es: S N iph M ( IDEAL) qi BM ph F( M ) I ph qbf( M ) Donde: i ph valor eficaz de la corriente de señal. I ph valor medio de la corriente total que general en fotodetector. i ph I ph como vimos anteriormente. Si solo existiera el ruido Shot los fotodiodos APD siempre se comportarían peor que los PIN.

22 RUIDO DE CORRIENTE DE OSCURIDAD Corriente en ausencia de luz, tanto mayor cuanto menor sea el Gap de semiconductor, no afecta el valor medio de la misma, sino sus pequeñas fluctuaciones, como en el caso del ruido Shot <i D > qi D BM F(M)

23 CONSIDERACIONES SOBRE F(M) La avalancha, el proceso de multiplicación de electrones, tampoco es uniforme en pequeños intervalos de tiempo. En cada pequeño intervalo de tiempo se produce una avalancha m que en media vale M. Nosotros deberíamos computar: Y ponemos un valor inferior dado por: 1 k m k 1 M m k k Para compensar esta diferencia se introduce el término: F(M)M x Con 0<x<1

24 RUIDO TÉRMICO Interacción entre electrones libres, e iones del medio conductor, que se traduce en pequeñas fluctuaciones de corriente. Fuera de los 0ºK los iones tienen una energía que se traduce en vibración, tanto mayor cuanto mayor sea la Temperatura. Cuanta mayor vibración mayor probabilidad de colisión. < i th > 4 ktb R L R L suele ser el paralelo de la R de carga del fotodiodo con la Z in del amplificador se verá. Ruido térmico también es un ruido blanco. Cuando R L aumenta, disminuye ruido térmico, pero también ancho banda amplificador; problema para transmitir altas frecuencias.

25 RELACIÓN S/N TOTAL En señales incorreladas gaussianas, el valor cuadrático medio de La suma, coincide con la suma de los valores cuadráticos. Vamos a aplicar esto, aún a sabiendas de que alguno de los ruidos, como el Shot, no es Gaussiano. S N q i < M i N >< i sh 4kTB R > < ( ) I I M F ( M ) B ph D ph L i D > < Cuando los ruidos Shot y Oscuridad son los predominantes, preferible PIN. Cuando ruido térmico predomina, preferible APD. Evidentemente derivando S/N con respecto a M, se obtiene un M para el que S/N es máximo. Importantísimo: poner el ancho de banda necesario, ni un Hercio más. i th >

26 S/N EL AMPLIFICADORES DE TENSIÓN CÁLCULO DE LA SEÑAL: CCph Camp. RRph//Ramp. G(f) V ojo i V in out RMiph ( f ) 1 jπfcr ph I ( f ) G( ph 1 fcorte πrc RMI ph f ) 1 jπfcr Muy baja i ph M R C Vin(f) Vout(f) G( Si hago: V f ( 1 j fcr) f ) G π ( 0 ) G out 0RMI ph

27 S/N EN AMPLIFICADORES DE TENSIÓN CÁLCULO DEL RUIDO: AMPLIFICADOR REAL DENSIDADES ESPEC- TRALES DE RUIDO ( A ) Hz A i A * Hz v A * V Hz CÁLCULO DEL RUIDO: G(f) Ampli. ideal ( ish *) ( i *) D ( i *) th qi qi D 4kT R ph M M F( M ) F( M ) ( ) ( ) ( ) ( ) i * i * i * i * ( i *) T q ( ) ( ) I I M F( M ) i * ph sh D D A A th 4kT R

28 i T * R C V N G(f) v A * f ( ) [ ] ( ) [ ] { } 1/ 1/ *) ( *) ( *) ( *) ( *) ( ) ( *) ( ) ( f i R v R C f G V df i R v R C f G df fcr j i R f G df v f G V T A N f T A f f T A N π π π

29 ( ) f M i R M kt M F I I q C f R M v I V V N S A D ph A ph N out *) ( 4 ) ( *) ( π (a) (b) (c) (d) (e) Aumentando M se mejora S/N hasta que (c) se hace significativo. Valor óptimo de M Aumentando R aumenta S/N, mientras que (a) y (d) sean significativos. A altas frecuencias (que es donde generalmente queremos trabajar), el término predominante es (b), que además disminuye con C). Aumentando la señal (I ph ) también aumenta el ruido. Cosa peculiar de las comunicaciones ópticas.

30 S/N EN AMPLIFICADOR DE TRANSIMPEDANCIA CÁLCULO DE LA SEÑAL CCph Camp. RRph//Ramp. i ph M R C Vin R F -A Vout f f DESPRECIO 1/AR F y 1/AR Frente a 1/R F Mi ph corte corte V 1 R OUT F A πcr 1 RF πfc A F jπfc A VOUT VIN A VOUT V Miph R Mi ph V F OUT IN 1 R F V IN 1 AR F 1 jπfc R 1 AR jπfc A Se multiplica por A (GRANDE) respecto al Ampl. de tensión. Por debajo de Fcorte: V R OUT F Mi ph

31 S/N EN AMPLIFICADOR DE TRANSIMPEDANCIA CÁLCULO DEL RUIDO: v F * R F i T * R C v A * -A f V N Como en el caso anterior: ( i ) ( i *) ( i *) ( i *) ( i * ) T * sh D A th v F * representa el ruido térmico de R L y por lo tanto: 4kTR F CALCULANDO S/N COMO EN AMPLIFICADOR DE TENSIÓN, NOS QUEDA LA MISMA EXPRESIÓN SUSTITUYENDO: 1/R por 1/R1/R F PERO EN ESTE CASO PUEDO AUMENTAR R PARA REDUCIR EL RUIDO, SIN TENER QUE ECUALIZAR

32 BER: BIT ERROR RATE BERNº ERRORES COMETIDOS/Nº BITS TRANSMITIDOS. LOS ACTUALES NIVELES DE CALIDAD DE SERVICIO FIJAN BER SUPERIORES A 10-9 LA TENSIÓN QUE PRODUCE EL AMPLIFICADOR A SU SALIDA ES FRUTO DE: LA SEÑAL ÓPTICA QUE LLEGA AL DETECTOR. TODOS LOS RUIDOS QUE HEMOS EVALUADO. AUNQUE LA LLEGADA DE LOS FOTONES TIENE UNA DISTRIBUCIÓN DE POISSON, LOS VALORES DE TENSIÓN, SIGUEN DISTRIBUCIÓN MÁS PRÓXIMA A LA GAUSSIANA.

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34 BER σ f f 1 0 ( V ( V ) ) P(0 /1) P(1) Varianza 1 π σ 1 π σ ON OFF exp P(1/ 0) P(0) Cambio: exp ( V V ) σ ON ON ( V V ) σ OFF OFF Considero las Gaussianas iguales y el mejor valor de: x V V σ P(1/ 0) Llamo: OFF V th V OFF σ dv dx σ 1 exp x π dx V σ th ON V BER ON σ P(1/0) V OFF 1 OFF P(0) P(1) [ P(0/1) P(1/0) ] V th 1 exp πσ 1 P(0/1) P(1/0) ( V VOFF) dv σ V Q th BER V σ 1 π OFF Q exp x dx

35 erf ( A) π A 0 exp x dx -A A [ 1 erf ( A) ] -A A BER 1 1 erf Q Q

36 Q V V σ V PP th OFF σ S N V pp / Valor eficaz de la señal σ Valor eficaz del ruido Para una variación de Q: 0<Q<8 El BER varía: 0>BER>10-16 V PP /σ