1 Universidad Politécnica Madrid ETSI TELECOMUNICACIT ELECOMUNICACIÓN Departamento Tecnología Fotónica Comunicaciones Ópticas Receptores José M. Otón Abril 2005 Receptores Esquema general Materiales para tectores Detección luz Detectores Unión p-n El fotodiodo pin El fotodiodo avancha (APD) Comportamiento dinámico Ganancia APD Guión Parámetros los tectores Rendimiento cuántico Responsividad Respuesta característica Recta carga y punto trabajo Tab comparativa Sensibilidad El receptor Esquema l amplificador Circuito equivalente ruido Fuentes ruido en tectores Baja y alta impedancia Transimpedancia Reción señal-ruido y BER
2 Esquema general un receptor El receptor constituye parte más crítica un sistema CCOO. El sistema completo transmisión se diseña a partir l receptor. Está compuesto por un tector semiconductor (usualmente un diodo pin), porizado en inversa, un bloque amplificación y un bloque regeneración señal. El tector convierte señal óptica en corriente eléctrica. Ya en el dominio eléctrico, es transformada en una señal tensión que se amplifica y regenera. Materiales para tectores A diferencia diferencia los losemisores, los lostectores tectoresemplean emplean materiales materialessc SC tanto tanto gap gap directo directocomo comoindirecto. Los Los materiales materiales gap gap directo directo tienen tienenun un coeficiente coeficiente absorción absorciónmuy muyalto a partir partir l l gap. gap. Los Los gap gap indirecto indirecto (p.ej., (p.ej., Ge) Ge) presentan presentanun un coeficiente coeficiente morado moradoque quecrece notablemente notablementeal al bajar bajar longitud longitud onda onda (paso (pasogap gap indirecto indirecto directo) directo)
3 Respuesta un diodo Φ 1 0 Φ( x) = Φ Φ útil x 1 x 2 = Φ (1 R) 0 (1 R) 1 = Φ( x ) Φ( x 1 [ exp( αx) ] 2 ) Estructura pin y APD En el pin se prefiere que luz entre por cara p porque mejora respuesta dinámica. En el APD se entra por cara n para acelerar recolección ionización secundaria.
4 Tiempo respuesta t i i electrón e h N = t e = l / v e Nhvh = l e Neve = l La La forma forma los los pulsos pulsos pen pen movilidad movilidad los los portadores. portadores. Así Así su su forma forma es es distinta distinta pendiendo pendiendo l l punto punto entrada entrada luz. luz. Los Los fotodiodos fotodiodos pin pin usualmente usualmente aceptan aceptan luz luz por por cara cara p, p, para para mejorar mejorar recolección recolección huecos, huecos, más más lentos. lentos. Ganancia APD M 1000 M 1000 100 10 T 100 10 λ Ruptura Zener 1 0 100 200 300 400 500 1 0 100 200 300 400 500 Tensión (V) Tensión (V) Los Los fotodiodos fotodiodos avancha avancha APD APD funcionan funcionan a a tensiones tensiones altas. altas. Su Su ganancia ganancia varía: varía: con con temperatura, temperatura, porque porque agitación agitación térmica térmica favorace favorace recombinación recombinación reduciendo reduciendo multiplicación multiplicación con con longitud longitud onda, onda, puesto puesto que que el el par par primario primario generado generado es es el el mismo mismo siempre siempre que queλ λsea sea menor menor que que λλ l l gap. gap. A tensiones tensiones muy muy altas altas entra entra en en ruptura ruptura Zener Zener y y ganancia ganancia se se hace hace infinita infinita (produce (produce corriente corriente sin sin luz). luz).
5 Rendimiento cuántico y responsividad Responsividad un un fototector silicio silicio La La Responsividad es esuna unamedida l l rendimiento un un fototector. Se Se expresa en en A/W A/W y está estárecionada con con el el rendimiento cuántico. η = e producidos I / e hν = = R fotones incintes Φ / hν e = R El rendimiento cuántico es casi inpendiente longitud onda en un rango amplio. Por esa razón, responsividad crece forma aproximadamente lineal con longitud onda. hc λe Respuesta fotodiodo
6 Recta carga un fotodiodo El El fototector funciona como comoun un generador corriente casi casiial, ial, pendiente sólo sólo potencia óptica ópticarecibida, e inpendiente tensión porización. Para Para ello elloes espreciso situar situarel el punto punto trabajo en en el el tercer tercercuadrante. La La posición está estáterminada por por tensión porización y resistencia carga. carga. Comparativa fotodiodos Material Tipo λ R/M I d (na) τ r (ns) B/B M (GHz) V pol Si pin APD 400-1100 0,4-0,6 20-400 1-10 0,1-1 0,5-1 0,1-2 0,3-0,7 2-5 5 150-400 Ge pin APD 800-1800 0,4-0,5 50-200 50-500 50-500 0,1-0,5 0,5-0,8 0,5-3 2-10 5-10 20-40 InGaAs pin APD 1100-1700 0,75-0,95 10-40 0,5-2 10-50 0,05-0,5 0,1-0,5 1-2 20-250 5 20-30 Valores típicos típicos fotodiodos comerciales
7 Sensibilidad Potencia mínima mínima que quese se necesita para paratectar un un bit bit con con una una BER BER concreta. Varía Varíacon el el régimen binario. Amplificador y circuito equivalente ruido Ruidos en receptor Shot límite absoluto Térmico Corriente ruido l amplificador Tensión ruido l amplificador con R Tensión ruido l amplificador con C
8 Alta y baja impedancia Alta impedancia: Mínimo ruido, pero necesita ecualización y presenta un rango dinámico limitado Baja impedancia: Menor necesidad ecualización, pero baja sensibilidad. No se usa excepto en algunas aplicaciones corta distancia. Amplificador transimpedancia Amplio rango dinámico comparado con alta impedancia Transimpedancia: Es el más utilizado. Evita mayoría inconvenientes l A. alta impedancia añadiendo al mismo una resistencia realimentación negativa R f, consiguiendo a vez un bajo nivel ruido y un buen rango dinámico. Poca o ninguna ecualización porque combinación R y R f es muy pequeña La impedancia salida es baja menos interferencias Es algo menos sensible que alta impedancia, pero diferencia se reduce a 2-3 db en mayoría los casos.
9 Muestreo y BER Problema Receptores PROBLEMA 1: Se dispone un fotodiodo p i n silicio, porizado en inversa con una tensión porización 10V. Se sea emplear para tectar una potencia óptica (Φ opt. ) hasta 1mW, en todo el rango visible (a partir 400nm) y el infrarrojo cercano (hasta longitud onda corte λ c ). El circuito tección posee una resistencia carga R L y se supone un comportamiento lineal responsividad con longitud onda. Se incluyen amás los siguientes datos: E g (silicio)= 1,14eV η= 0,95 para 400nm < λ < λ c Determine el valor máximo R L para garantizar un funcionamiento lineal a todas s longitus onda. + VD - V pol R L -1 Responsividad (AW ) 400nm Fototector ial Longitud onda ( µ m) λ c
10 Problema Receptores (2) Curva Característica l Fotodiodo a tres potencias luminosas Φ 1 Φ 2 (0,, ) I I d V + VD - Φ = 0 I ph1 Φ I 1 ph2 V pol R L Φ 2 Límite Comportamiento Lineal V Diodo = V R I Pol _ L ph I I Rectas Carga a distintas RL ( VPOLconstante) V POL V Rectas Carga a distintas VPOL (RL constante) V PO L V Φ = 0 I ph1 Φ = 0 I ph1 Φ 1 I ph2 Φ 1 I ph 2 Φ 2 RL baja RL alta Φ 2 Problema Ence punto a punto PROBLEMA 2. Se sea realizar un ence punto a punto con los siguientes elementos y características: Sistema: Tasa binaria (BR o B T ), BR = 622Mbps Formato NRZ Tasa error (BER), correspondiente a una reción señal/ruido 23 db Margen seguridad: 6dB Emisor Diodo láser Longitud onda: λ 0 = 1550nm Potencia acopda a fibra: P 0 = 0dBm Anchura espectral: σ λ = 0,5 nm Tiempo conmutación: t e = 0,2ns Receptor Fotodiodo PIN Responsividad: R = 0,7A/W Corriente oscuridad: I D =100pA Capacidad: C ph = 0,3pF Amplificador transimpedancia Ganancia en zo abierto: A = 20dB Impedancia entrada: Z i = 1MΩ 0,5pF Ancho banda con realimentación, BW = 650 MHz Tensión ruido: = 0,1nV/Hz ½ Corriente ruido spreciable Fibra Óptica Monomodo en 3ª ventana Atenuación: α F = 0,5dB/km Pérdidas en s soldaduras: α s = 0,1dB Pérdidas por conexión: α c = 1dB Longitud los carretes: l = 5km Dispersión cromática: D T = 17ps/nm km Estudie longitud máxima l ence.
11 Problema Ence punto a punto II (gráficas) PROBLEMA 3. Se dispone un ence digital punto a punto IM/DD (modución por corriente, tección directa), con modución NRZ a 2,5Gbps, con s siguientes características: Transmisor Característica potencia óptica acopda en fibracorriente dada por figura 1 Espectro emisión en condiciones modución a 2,5 Gbps dado por figura 2 Respuesta temporal a un escalón corriente, con I OFF = 10mA, dado por figura 3 Pérdidas en el conector transmisor-fibra: 0,5dB Fibra monomodo dispersión apnada: Longitud = 80km Atenuación dada por figura 4 (curva experimental) Dispersión intramodal dada por figura 5 (curva dispersión apnada) Índice efectivo n eff = 1,475 Pérdidas en s soldaduras: spreciables Receptor Promedio fotones necesarios en cada bit 1 para asegurar una BER 10-9 : 10.000 Ancho banda l amplificador: 10GHz Constante tiempo RC l fototector y tiempo tránsito:spreciables Pérdidas en el conector receptor-fibra: 0,5 db Sistema: Máxima tasa error admisible: BER = 10-9 Criterio para el bance tiempos: t sys 0,25 T B (t sys es el tiempo subida 10-90% l sistema en respuesta a una función escalón y T B es el tiempo bit) Margen seguridad: 4dB + Penalizaciones en Potencia openalización en potencia bida a interferencia entre símbolos dada por figura 6 openalización en potencia bida a reción extinción (finida como el cociente P OFF /P ON ) dada por figura 7 Reción entre BER y Q dada por figura 8 1. Indique razonadamente que tipo es el emisor empleado (LED, Láser FP o láser monofrecuencia). 2. Determine si el ence cumple el criterio especificado para el bance tiempos. 3. Tomando como dato t sys = 80ps (inpendientemente lo obtenido en el apartado anterior), y consirando I OFF = 12mA termine mínima corriente que be aplicarse al emisor en el estado ON para que el ence funcione acuadamente. Nota: Marque cramente en s figuras mediante líneas los valores leidos y su estimación, e indique en solución el número figura que ha obtenido cada valor. Problema Ence punto a punto II (gráficas)
12 Problema Ence punto a punto II (gráficas) Se dispone un ence digital punto a punto IM/DD, con modución NRZ a 2,5Gbps, con s siguientes características: Emisor: Característica potencia acopda corriente Fig 1 Espectro emisión a 2,5 Gbps Fig 2 Respuesta a un escalón corriente, con I OFF = 10mA, Fig 3 Pérdidas en el conector transmisor-fibra: 0,5dB Fibra monomodo dispersión apnada: Longitud = 80km Atenuación Fig. 4 (curva experimental) Dispersión intramodal dada por figura 5 Índice efectivo n eff = 1,475 Pérdidas en s soldaduras: spreciables Problema Sistema gráficas Receptor: Promedio fotones en cada bit 1 para asegurar una BER 10-9 10.000 Ancho banda l amplificador: 10 GHz Constante tiempo RC l fototector y tiempo tránsito: spreciables Pérdidas en el conector receptor-fibra: 0,5 db Sistema: Máxima tasa error admisible: BER = 10-9 Criterio para el bance tiempos: tsys 0,25 TB (tiempo bit) Margen seguridad: 4dB + Penalizaciones en Potencia Penalización en potencia bida a interferencia entre símbolos Fig. 6 P. potencia bida a reción extinción (finida como el cociente P OFF /P ON ) Fig. 7 Reción entre BER y Q = (S/N)óptica Fig. 8 1 3 5 7 2 4 6 8 1. Indique razonadamente que tipo es el emisor empleado (LED, Láser FP o láser monofrecuencia). 2. Determine si el ence cumple el criterio especificado para el bance tiempos. 3. Tomando como dato tsys = 80ps (inpendientemente lo obtenido en el apartado anterior), y consirando IOFF = 12mA termine mínima corriente que be aplicarse al emisor en el estado ON para que el ence funcione acuadamente.
13 Problema Sistema gráficas (II) Es un láser monomodo (DFB o DBR) Problema Sistema gráficas (III) Tiempo subida 10-90 = 90 ps
14 Problema Sistema gráficas (IV) Anchura espectral FWHM=0,1nm Coeficiente Dispersión a 1550 nm = 1,5 ps/nm/km Problema Sistema gráficas (V) Penalización en potencia por ISI: t sys /T B = t sys BR = 80 10-12 2,5 10 9 = 0,2
15 Problema Sistema gráficas (VI) Penalización en potencia bida a reción extinción: 0 db Problema Sistema gráficas (y VII) Coeficiente atenuación = 0,2 db/km