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RECEPTORES OPTICOS FIBRA OPTICA
RECEPTORES OPTICOS
1. INTRODUCCION
En un sistema de comunicaciones ópticas, el receptor tiene como finalidad convertir la señal óptica en eléctrica, amplificar esta y realizar un procesamiento posterior para obtener la información. El detector óptico consigue la transformación de fotones a tensión de corriente y el amplificador posterior eleva el nivel de la señal para que pueda procesarse con facilidad, a la vez que se introduce el mínimo ruido posible.
2. RECEPTORES OPTICOS
Los receptores ópticos son dispositivos que transforman las señales ópticas en señales eléctricas, en concreto es el fotodetector el encargado de esta transformación.
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.
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. Existe dos alternativas para superar esta limitación, una es el uso de fotodiodo de avalancha APD, donde el mecanismo de multiplicación de la corriente fotogenerada en el fotodiodo amplifica la señal fotodetectado. La segunda alternativa es la utilización de un pre-amplificador óptico antes del fotodetector, para amplificar la señal óptica antes de la detección.
Receptor óptico con detección directa utilizando un pre-amplificador óptico
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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. La figura presenta el esquema simplificado de detección coherente.
Receptor óptico con detección coherente
En el caso del esquema coherente, la señal detectada posee una frecuencia intermediaria dada por:
Donde: fFI es la frecuencia intermediaria. fS es la frecuencia de la señal recibida. fLO es la frecuencia del oscilador local.
En la siguiente figura se muestra un diagrama en bloques de un receptor óptico, para un sistema digital con detección directa, el componente clave es el detector de luz.
Diagrama de bloques de un receptor óptico básico con detección directa
El receptor consta de:
Un filtro óptico, encargado de eliminar ruido y de seleccionar el canal adecuado. Un fotodetector, elemento encargado de generar una corriente eléctrica
proporcional a partir de una potencia óptica. Un amplificador Front-end, que amplifica la señal eléctrica.
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2.1. FILTRO OPTICO
Un filtro óptico es un dispositivo capaz de seleccionar una banda de longitudes de onda y eliminar el resto. Su principal aplicación es la de eliminar el ruido, introducido por los amplificadores ópticos de la etapa de transmisión óptica.
2.1.1. Filtros De Interferencia
Los filtros de interferencia se construyen apilando una serie de delgadas capas de dos materiales con distinto índice de reacción, sobre un sustrato de cristal. Estos materiales suelen ser dieléctricos, por lo que también son conocidos como filtros dieléctricos.
Este dispositivo solo permite un rango estrecho de longitudes de onda para que se transmita y refleja el resto, las cuales están determinadas por las propiedades del material. Las longitudes de onda transmitidas viene dada por la siguiente expresión:
Donde:N: es un entero.n: el índice de refracción.D: es el grosor de la capa.0: es el ángulo de incidencia de la luz respecto con la normal.
Como se muestra en la siguiente figura, solo aquellas longitudes de onda cuyo periodo coincida con la longitud de dos capas de distinto índice de refracción son transmitidas a través del filtro.
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Longitudes de onda seleccionadas en un filtro de interferencia
2.2. CONVERTIDOR OPTO-ELÉCTRICO
La luz recorre la fibra; al final del tramo las señales lumínicas son reconvertidas nuevamente en señal óptica recibida es convertida en una señal eléctrica en el transductor opto-eléctrico.
En el semiconductor para pasar un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción, existe energía absorbida por incidencia de un fotón. Proceso inverso se realiza para liberar fotones.
E=Ec - Ev
Donde:
Ec energía de un electrón, cuando se encuentra en la banda de conducción.
Ev energía de un electrón, cuando se encuentra en la banda de valencia.
E es una característica del material y se puede cambiar en función al contaminante empleado en el semiconductor.
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Cuando se libera un fotón se lo puede hacer de dos maneras: espontánea o estimulada. En la emisión espontánea no existe ningún medio externo que induzca al electrón pasar de la banda de conducción a la banda de valencia.
En la emisión estimulada un fotón induce a que el electrón pase a su estado de reposo, liberando un fotón, en cuyo caso se dice que existe amplificación, si además existe retroalimentación y un elemento de selectividad, se logrará tener emisiones coherentes.
Una representación de estos procesos se indica en la figura que se encuentra a continuación.
2.3. DETECTORES OPTICOS
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Son los encargados de transformar las señales luminosas en señales eléctricas.
En un sistema de transmisión analógica el receptor debe amplificar la salida del fotodetector y después demodularla para obtener la información.
En un sistema 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)
2.3.1. 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.
2.3.2. Tipos De Fotodetectores
Los fotodetectores con mayor sensibilidad, de rápida respuesta, con poco ruido, alta fiabilidad y bajo costo, son aquellos que utilizan fotodiodos PIN y APD.
2.3.3. Fotodiodo PIN
Está figura muestra que el diodo se fabrica uniendo capas de materiales de los tipos P y N
mediante un material intrínseco. En la tecnología de los semiconductores, un material
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semiconductor intrínseco. En la tecnología de los semiconductores, un material
semiconductor intrínseco es puro, es decir, no tiene impurezas.
Un material intrínseco, por ejemplo el silicio, es un semiconductor. Este material no
conduce bien la electricidad, pero tampoco es un buen aislante y, por lo tanto, sin la
introducción de una luz infrarroja por la ventanilla, el diodo estará en la condición de corte
aunque esté polarizado directamente como se muestra en la figura anterior.
Cuando entra luz infrarroja por la ventanilla hacia la zona intrínseca, los fotones de la luz
chocan contra los átomos del material intrínseco y producen electrones libres. Estos
electrones libres convierten el material intrínseco en un conductor razonablemente bueno
y, por lo tanto, el diodo conduce.
El fotodiodo PIN es el detector más importante utilizado en los sistemas de comunicación
óptica. Es relativamente fácil de fabricar, altamente fiable, tiene bajo ruido y es compatible
con circuitos amplificadores de baja tensión. Además, es sensible a un gran ancho de
banda debido a que no tiene mecanismo de ganancia. Unas zonas p y n altamente
conductivas junto a otra intrínseca poco conductiva, caracterizan al diodo PIN. Los fotones
entran a la zona intrínseca generando pares electrón-hueco. El diodo se polariza
inversamente con el fin de que las cargas generadas en la zona intrínseca sean
aceleradas por el campo eléctrico presente.
Un fotodiodo PIN de uso común, es el llamado fotodiodo PIN de InGaAs, mostrado en la siguiente figura.
Estructura de una unión PIN de InGaAs
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Con este tipo de estructuras, en el que el material intrínseco está rodeado de capas tipo P y N de distintos materiales semiconductores, se consigue que la absorción se produzca únicamente en la capa intrínseca, eliminando por completo el efecto de la difusión.
En la siguiente tabla se muestra los valores de las principales características de los tres fotodiodos PIN más comunes.
2.3.4. Fotodiodo de avalancha APD
Los fotodiodos APD son 10 veces más sensibles que los diodos PIN y requieren de
menos amplificación adicional. Su desventaja radica en los tiempos de transición son muy
largos y su vida útil es muy corta.
A diferencia de los diodos PIN los APD operan a tensiones inversas lo suficientemente
elevadas como para que cuando los portadores sean en el campo eléctrico, colisiones con
otros átomos que componen la estructura cristalina del semiconductor. Las colisiones
ionizan los átomos, produciéndose nuevos pares electrón-hueco. Esta ionización por
impacto nos determina la ganancia interna del dispositivo o ganancia de avalancha.
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Un fotodiodo APD de uso común, es el llamado fotodiodo APD de InGaAs, mostrado en la siguiente figura.
Estructura de fotodiodo APD de InGaAs
En la siguiente tabla se comparan los valores de las principales características de los fotodiodos APD de Si, Ge, e InGaAs.
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2.3.5. Características De Los Fotodiodos
Responsividad. Una medida de la eficiencia de conversión de un fotodetector. Es la relación de corriente de salida de un fotodiodo a la potencia óptica de entrada y su unidad de medida es amperes/watts. La respuesta generalmente se da para una longitud de onda o frecuencia especifica.
Corriente oscura. La corriente de fuga que fluye por un fotodiodo sin entrada de luz. La corriente oscura será causada por los portadores generados térmicamente en el diodo.
Tiempo de transito. El tiempo que requiere un portador inducido con luz para viajar a través de la región de agotamiento o vaciamiento. Este parámetro determina la máxima razón de bit posible con un fotodiodo específico.
2.3.6. Ruido En Un Fotodetector
Hay 3 tipos principales de ruido en un fotodetector:
Ruido cuántico o de impacto de la fotocorriente generada: este ruido se debe a la llegada aleatoria de fotones al fotodetector y de esta manera a la generación y colecta aleatoria de electrones.
Ruido de impacto de la corriente de obscuridad: este es debido a los pares electrón hueco que son generados térmicamente en la unión pn del fotodiodo. En un APD estos son multiplicados por el mecanismo de avalancha.
Ruido térmico o Johnson: se debe a las fluctuaciones aleatorias de la corriente, debido al movimiento aleatorio, inducido térmicamente, de los electrones dentro de un conductor.
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2.4 Características comparativas entre los diodos PIN y APDCosto.
Los diodos APD son más complejos y por ende más caros.
Vida. Los diodos PIN presentan tiempos de vida útil superiores.
Temperatura. 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.
3. AMPLIFICADOR FRONT-END
En un receptor la función principal es la de amplificar la señal antes de ser detectada por el fotodetector para mejorar así la relación señal-ruido.
La señal óptica es acoplada hacia el fotodiodo, la que es convertida en señal eléctrica.
El preamplificador aumenta la señal eléctrica para facilitar el proceso posterior. El diseño de esta etapa del receptor requiere transar entre velocidad y
sensibilidad.
4. OTRAS CARACTERÍSTICAS EN TABLAS
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RECEPTOR NIVEL DE SENSIBILIDAD
VELOCIDAD DE
TRANSMISIÓN
LONGITUD DE ONDA
PIN -34 dBm 2 a 34 Mbps 1a y 2a
ventanaPIN-FET -53 dBm 2 Mbps 2a y 3a
ventana-47 dBm 34 MbpsAPD -56dBm 2 Mbps 2a y 3a
ventana-50 dBm 34 Mbps
Combinación Emisor-Receptor según Longitud de Onda
Tipo de Fibra Tipo de Emisor Tipo de ReceptorLambda 850 nm
Fibra multimodo (gradiente inducido).
Emisores LED (GaAs) o Láser.
Receptores PIN de silicio.
Lambda 1300 nm
Fibra multimodo o monomodo.
Emisores Láser (GaInAsP).
Receptores PIN de InGaAs.
Lambda 1550 nm
Fibra monomodo (tipo NZD). Emisor Láser.
Receptores APD (GaInAsP).
5. CONCLUSIONES
Los receptores ópticos deben reunir una serie de características como sensibilidad, linealidad, eficiencia cuántica, tiempo de respuesta mínima, para que sean altamente eficientes.
Los filtros ópticos seleccionan longitudes de onda específicas de trabajo y ayudan a eliminar los ruidos provenientes de los amplificadores de la etapa de transmisión.
Los fotodiodos PIN y APD son los más utilizados en la etapa de recepción, siendo estos últimos más sensibles al necesitar menor amplificación debido a su efecto multiplicador de avalancha.
6. REFERENCIA BIBLIOGRAFICA
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José Capmany, F.J. Fraile Peláez, J. Martí- Fundamentos de comunicaciones Ópticas, 1998.
José A. Martin Pereda – Sistemas y Redes Ópticas de Comunicaciones, 2004 Ignacio de Miguel – Apuntes de Comunicaciones Ópticas. 2004 Wayne Tomasi - Sistemas de Comunicaciones Electrónicas - 4ta Ed. Rey Baltazar López Flores - Fotodetector basado en un dispositivo p-i-n y un
Amplificador de Transimpedancia http://nemesis.tel.uva.es/images/tCO.htm http://www.dsif.fee.unicamp.br/~moschim/cursos/simulation/introduccion.htm http://es.scribd.com/doc/6539566/07-Receptor-de-Enlace-Optico
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