RECEPTORES OPTICOS Fibra Óptica

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. 

CONVERSORES ÓPTICO ELÉCTRICO Para transmitir información mediante señales luminosas a través de un conductor (fibra óptica) se requiere que en el punto emisor y receptor existan elementos para convertir las señales eléctricas en ópticas y viceversa. En el extremo emisor la intensidad de una fuente luminosa se modula mediante una señal eléctrica y en el extremo receptor, la señal óptica se convierte en una señal eléctrica.  h = constante de Plank ʏ = Frecuencia del fotón ʎ = longitud de onda V= velocidad de la luz en el medio

𝐄= 𝐄 𝐂 − 𝐄 𝐕   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 Dónde: 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

RECEPTORES OPTICOS 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.

Modelo de un típico receptor óptico con detección directa utilizando un pre-amplificador óptico

Modelo de un típico receptor óptico con detección coherente En el caso del esquema coherente, la señal detectada posee una frecuencia intermediaria dada por: Dónde: fFI es la frecuencia intermediaria. fS es la frecuencia de la señal recibida. fLO es la frecuencia del oscilador local.

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.

DETECTORES OPTICOS 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)

FOTODETECTOR Convierte la potencia óptica incidente en corriente eléctrica, esta corriente es muy débil por lo que debe amplificarse. 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)

TIPOS DE FOTODETECTORES Los principales tipos de receptores son: Fotodetectores PIN. Fotodetectores PIN con preamplificadores FET. Fotodetectores de avalancha APD.

TIPOS DE FOTODETECTORES Los fotodiodos PIN de silicio se utilizan como receptores ópticos en las longitudes de onda entre 0,8 y 1 um. Los fototipos de InGaAs son más convenientes para combinar con emisores Láser y trabajan en segunda y tercera ventana.

TIPOS DE FOTODETECTORES Como regla general puede decirse que los receptores APD deben ser utilizados para enlaces largos y los PIN-FET para enlaces medios. Dispositivo Si Ge InGaAs Long. de onda (nm) 600:900 1100:1500 1200:1600 Ventana 1era 2da 3ra Sensibilidad típica del receptor (dBm) (para un BER=10E-09 a velocidad de 34 Mbps) -51   -45

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. El diodo PIN se compone básicamente de unas zonas p y n altamente conductoras junto a una zona intrínseca poco conductiva

FUNCIONAMIENTO. 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.

FOTODETECTORES 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 pares electrón-hueco. 

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. 

dispositivo que amplifica una señal óptica directamente. AMPLIFICADORES AMPLIFICADOR ÓPTICO AMPLIFICADORES DE FIBRA DOPADA dispositivo que amplifica una señal óptica directamente. Estos amplificadores necesitan de un bombeo externo con un láser de onda continua a una frecuencia óptica ligeramente superior a la que amplifican. 

CARACTERÍSTICAS Las características difieren entre los diodos PIN y APD COSTO: 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.

PARÁMETROS Los parámetros de los receptores y receptores digitales. La potencia de ruido equivalente de un receptor. Los receptores ópticos actuales se basan en uno de los dos tipos de detectores. Para señales digitales binarias, el caso más común basta con 22Db de relación señal/ruido.

RUIDO EN LOS RECEPTORES ÓPTICOS La capacidad de un receptor óptico para detectar señales de luz débiles depende de su sensibilidad y en particular del ruido propio. Los agentes causantes del ruido son la señal óptica, el diodo en sí y el circuito eléctrico que le sigue.

CONCLUSIÓN Los receptores PIN y APD también sirve para demostrar en que ventana de trabajo de las longitudes de onda esta. 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.