COMUNICACIONES ÓPTICAS

Presentación del tema: "COMUNICACIONES ÓPTICAS"— Transcripción de la presentación:

1 COMUNICACIONES ÓPTICAS
DETECTORES PARA SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS Universidad Autónoma de Baja California UABC FACULTAD DE INGENIERIA ENSENADA Dr. Horacio Luis Martínez Reyes comunicaciones ópticas

2 - INTRODUCCIÓN Transmisor Detector i Sistema de Decisión Receptor Óptico Fibra Óptica Luz Los detectores se basan en materiales semiconductores donde la absorción de fotones va a dar lugar a un aumento de la conductividad del medio a través del efecto fotoeléctrico: absorción de fotones y generación de pares electrón-hueco. Ventajas de los detectores: pequeña área de detección, alta responsividad, bajo ruido y ancho de banda elevado. Tipos de detectores: el fotodetector p-i-n y el fotodetector de avalancha (APD). comunicaciones ópticas comunicaciones ópticas

3 CONCEPTOS BÁSICOS DE DETECCIÓN ÓPTICA
La absorción de fotones por un medio puede dar lugar a la generación de electrones en banda de conducción. Por lo tanto, se genera una corriente proporcional al número de fotones absorbidos o se modifica la conductividad de un semiconductor. Si la energía de los fotones incidentes es suficientemente alta puede también dar lugar a la extracción de electrones de un material, (efecto fotoeléctrico). -En un proceso de detección fotoeléctrico se dan los siguientes procesos: hν Extracción de un electrón e- libre Nivel de extracción hν Absorción y generación de un par electrón-hueco Par electrón -hueco a) generación de portadores a partir de la absorción de fotones b) transporte de los portadores a partir de un campo eléctrico, lo que da lugar a corriente eléctrica. -En algunos fotodetectores se dan a su vez procesos de ganancia (APD’s, fotomultiplicadores) comunicaciones ópticas

4 CONCEPTOS BÁSICOS DE DETECCIÓN ÓPTICA: EFICIENCIA CUÁNTICA
No todos los fotones que llegan a un fotodetector generan pares electrón-hueco que contribuyen a corriente eléctrica. Parte de ellos se reflejan en la primera intercara aire- semiconductor, parte de ellos no se van a absorber y de los que se absorban no todos van a contribuir a generar una corriente eléctrica (cerca de la superficie del semiconductor los pares electrón hueco se recombinan con facilidad). fotones hν Region fotosensible d x Flujo de fotones transmitidos Flujo de fotones reflejados Flujo de fotones incidentes ϕ 1/α Pérdidas de Fresnel: puede reducirse colocando capas antireflejantes ζ es la fracción de portadores que contribuyen a corriente eléctrica. Se puede reducir bastante por procesos tecnológicos. Fracción de fotones absorbidos por el material: es conveniente que d sea grande para mayor absorcion. comunicaciones ópticas comunicaciones ópticas

5 ABSORCIÓN DE LOS MATERIALES
Así como la energía de gap de cada material semiconductor de las fuentes ópticas fija la longitud aproximada de emisión, para los detectores fija la longitud de onda a partir de la cual son incapaces de absorber, debido a que los fotones no tienen suficiente energía para generar un par electrón-hueco. Longitud de onda (μm) 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 Profundidad de penetración μm) 103 102 101 100 Coeficiente de absorción (cm-1) 104 105 10-1 GaAs Si In0.7Ga0.3As0.64P0.36 In0.53Ga0.47As Ge En la figura se muestra el coeficiente de absorción intrínseco para algunos materiales empleados para detectores en función de la longitud de onda. A una cierta longitud de onda (conocida como de corte) los fotones dejan de ser absorbidos y el material se hace transparente. Los semiconductores de gap indirecto (Si, Ge) pueden ser usados como detectores. comunicaciones ópticas

6 RESPONSIVIDAD La responsividad relaciona la corriente eléctrica generada con el número de fotones incidente en el detector. Si se tiene un flujo Φ de fotones y si cada fotón diera lugar a un electrón tendríamos una corriente igual a eΦ. La potencia óptica incidente es: P = Φhν , y la intensidad: I = eP/hν. No todos los fotones generan electrones, por lo que: Longitud de onda (μm) 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 0.2 0.4 0.6 Responsividad (A/W) Eficiencia cuántica, η Donde: R es la responsividad [A/W] proporcional a la longitud de onda La responsividad se irá a cero cuando se llegue a la longitud de onda de corte, ya que no se absorberán fotones por el medio. Si el detector tiene ganancia (genera M electrones por fotón): comunicaciones ópticas

7 TIEMPO DE RESPUESTA (w-x)/ve + - v i(t) ve vh x w x/vh hueco electrón t τtr Después de producirse el fenómeno de generación del par electrón-hueco se deben extraer los portadores de la región para dar lugar a una corriente eléctrica. Esto se hace aplicando un campo eléctrico. Los portadores se mueven a velocidades vh y ve (diferentes) dadas por: v = µ E, donde µ(µe, µh) es la movilidad de los portadores. Eso da lugar a un tiempo de tránsito (τtr) de los portadores que contribuyen por completo a la corriente. Por otra parte, los detectores llevan asociada una resistencia y una capacidad, por lo que se van a comportar como un circuito RC, con su tiempo de respuesta τRC= RC. El tiempo de subida ( del 10% al 90% de su valor final) se define como: Tiempo de respuesta: 1.- e- generados en zona de deplexión 2.- e- generados en zona de difusión 3.- Constante de tiempo RC del fotodiodo y el circuito asociado El ancho de banda eléctrico viene dado por la caída a 3dB de la función de transferencia al cuadrado y es: comunicaciones ópticas

8 LA UNIÓN P-N COMO DETECTOR (FOTODIODO)
v 1 2 3 ip Campo eléctrico E fotones La unión p-n puede utilizarse como detector empleando los materiales adecuados. En la unión p-n se tiene una ventaja de entrada: existe un campo generado en la región de deplexión. Este campo va a expulsar a los electrones y huecos de dicha zona con rapidez y va a dar lugar a una corriente eléctrica. A su vez van a poder generarse pares en la región 3 pero como no existe campo eléctrico en esta región los portadores se mueven hasta que se recombinan (tiempo de difusión). En la región 2, cercana a la región 1, tampoco hay campo eléctrico, pero los portadores moviéndose pueden llegar a entrar en esta región dando lugar a corriente eléctrica: son portadores generados en la zona de difusión y van a dar problemas de tiempo de respuesta. La unión p-n es un diodo con un comportamiento del tipo: El factor Ip da cuenta de la corriente eléctrica fotogenerada y lleva signo negativo por que va en ese sentido (en contra de la intensidad en directa). comunicaciones ópticas

9 -LA UNIÓN P-N COMO DETECTOR (FOTODIODO)
Polarización y modos de operación de la unión p-n. i v inversa directa Corriente de oscuridad (Φ=0) Intensidad de luz Φ + - Φ p n ip Es conveniente polarizar en inversa el fotodiodo para: - aumentar el campo eléctrico en la región de deplexión: los portadores salen más rápido. - aumentar el tamaño de la región de deplexión: así se absorben más fotones. - mejorar la respuesta en frecuencia del fotodiodo pues aumentar el tamaño de la región de deplexión disminuye la capacidad del dispositivo y, por tanto, el factor RC. Con uniones p-n se pueden obtener valores de τRC~ 100 ps y τtr ~ 100 ps -> 1 Gb/s comunicaciones ópticas comunicaciones ópticas

10 EL FOTODIODO P-I-N tiempo Pulso óptico Potencia óptica Corriente detector Pulso eléctrico difusión deriva p i n W Campo eléctrico distancia La unión p-n presenta un problema grave para utilizarla como fotodetector en comunicaciones ópticas, debido al tiempo de difusión de los portadores generados fuera de la zona de deplexión, con tiempos del orden de ns. Una manera de disminuir la contribución de la difusión de portadores es hacer la zona de deplexión muy grande. Esto se hace normalmente utilizando lo que se denomina una estructura p-i-n, donde un semiconductor intrínseco (realmente está ligeramente dopado n) se pone entre la unión p-n. De esta forma se tiene una región con campo eléctrico no nulo cuyo espesor podemos ajustar a voluntad. comunicaciones ópticas

11 VENTAJAS FOTODIODO P-I-N
El aumentar la región donde se absorben electrones asegura que se van a absorber prácticamente todos, lo que dará lugar a mayores eficiencias. Al aumentar la zona de unión se disminuye la capacidad de la misma y, por tanto, la constante de tiempos RC. Las zonas p y n se pueden hacer ahora muy pequeñas, por lo que la difusión de portadores va a contribuir mucho menos en la respuesta dinámica del dispositivo. p InP i InGaAs n+- InP sustrato n InP 4 μm Parametro Si Ge InGaAs Longitud de onda ( λ ) [μm] Responsividad ( R ) [A/W] Eficiencia cuantica ( η ) 75-90 50-55 60-70 Corriente de oscuridad (Id) [nA] 1-10 50-500 1-20 Tiempo de elevacion ( tr ) [ns] 0.5-1 Ancho de banda ( Δf ) [GHz] 0.5-3 1-5 Voltaje de polarizacion (Vb) [V] 50-100 6-10 5-6 comunicaciones ópticas

12 EL FOTODIODO DE AVALANCHA (APD)
Un fotodiodo de avalancha es un fotodiodo sometido a una fuerte corriente en inversa de forma que los fotoelectrones generados puedan a su vez generar nuevos pares electrón hueco al acelerarse bajo la influencia del fuerte campo eléctrico existente y adquirir una energía mayor que la de gap. A este proceso se le llama ionización por impacto, y es la base de estos dispositivos, en la cual el número final de electrones que da lugar a corriente es mayor que el número de fotoelectrones. Para que ocurra este proceso debe darse un campo eléctrico umbral en la región de deplexión, que es bastante elevado (3x105 V/cm). Para conseguir estos campos hay que polarizar en inversa el diodo con voltajes entre V, aunque en fotodiodos APD se trata de minimizar el voltaje aplicado a través de una estructura de unión como se muestra en la figura. Campo eléctrico distancia P- i n+ p absorción ganancia P- i p n+ En esta estructura se introduce una capa más p entre la estructura pin, que es la que generará un campo más elevado y, por tanto, ganancia en el número de electrones finales (Estructura SAM). Pueden alcanzarse factores de multiplicación de 104. comunicaciones ópticas

13 EL FOTODIODO DE AVALANCHA (APD)
En realidad el efecto es algo más complicado: los electrones pueden generar nuevos pares electrón-hueco pero los huecos también. Cada uno de ellos lo hace con un coeficiente distinto llamado coeficiente de ionización (probabilidad de ionización por unidad de longitud, cm-1), αe y αh. Son dependientes del valor de V y de la T. Se define el coeficiente k(relación entre ionizaciones) como : P- i n+ p absorción Es conveniente que el coeficiente k sea muy pequeño o muy grande, es decir, que domine uno de los dos coeficientes para que el sistema no pueda realimentarse y producir problemas. comunicaciones ópticas

14 -EL FOTODIODO DE AVALANCHA (APD)
El factor de ganancia del fotodiodo es: si El valor de M depende de αe , αh ,y del espesor de la zona de ganancia. M depende de V porque estos coeficientes dependen de V. V M 100 200 300 400 2 10 50 Temperatura La responsividad de un APD es multiplicada por el factor M con respecto a la de un pin. El tiempo de respuesta de un APD esta determinado por el tiempo que le cuesta a los electrones viajar por el dispositivo (tiempo de tránsito), por el tiempo de generación del efecto de avalancha, y el tiempo de tránsito de los huecos generados de vuelta. Esto aumenta el tiempo de respuesta de los APD’s (aumenta la ganancia a costa de reducir el ancho de banda). comunicaciones ópticas

15 EL FOTODIODO DE AVALANCHA (APD)
wabs es el espesor de la zona de detección y wm es el espesor de la zona de multiplicación Y Debido a los procesos de ionización Los tiempos de respuesta son mayores debido al término τm, que aumenta al aumentar M. Si k ~0 (por ejemplo silicio), el factor τm se hace pequeño y los tiempos de tránsito son similares. Parametro Si Ge InGaAs Longitud de onda ( λ ) [μm] Responsividad ( R APD) [A/W] 80-130 3-30 5-20 Ganancia APD (M) 50-200 10-40 Factor-k 0.7-1 Corriente de oscuridad (Id) [nA] 0.1-1 50-500 1-5 Tiempo de elevacion ( tr ) [ns] 0.1-2 Ancho de banda ( Δf ) [GHz] 1-3 Voltaje de polarizacion (Vb) [V] 20-40 20-30 De forma general un APD va a ganar sobre un p-i-n unos 5-10 dB de SNR comunicaciones ópticas

16 -RUIDO EN FOTODETECTORES
Vbias RL En sistemas de comunicaciones ópticas el fotodiodo se espera que funcione con baja potencia de luz incidente. Por eso es muy importante tener información acerca del ruido que va a estar presente en el receptor (el sistema receptor consiste en el fotodiodo más la electrónica asociada. Un esquema sencillo se muestra en la figura). Por lo tanto, el sistema receptor ha de estar optimizado para mantener una relación señal a ruido determinada: La potencia de ruido es la suma de la componente del fotodetector más la del circuito receptor. El estudio del circuito receptor se analizara posteriormente, por lo que solo se considera el ruido del fotodiodo más la resistencia de carga que siempre va a estar y que va a ser de resistencia mucho mayor que la propia del diodo, por lo que se puede despreciar. Se define a la sensibilidad del receptor como la mínima potencia óptica para conseguir una determinada relación señal a ruido. comunicaciones ópticas

17 RUIDO EN FOTODETECTORES
Los mecanismos fundamentales de generación de ruido en fotodetectores son el ruido cuántico o de disparo (shot noise) y el ruido térmico. También existen otros tipos de ruido menos importantes como la corriente de oscuridad (ruido generado por el fotodetector en ausencia de luz) o la corriente de fugas superficial. El ruido cuántico aparece porque la fotogeneración de portadores es en proceso aleatorio. La corriente eléctrica generada por una potencia óptica constante será, por tanto, de la forma: is(t) representa a la fluctuación de la corriente eléctrica debida a ruido cuántico. Se puede demostrar que dicha fluctuación es un proceso aleatorio que sigue la estadística de Poisson, aunque en la práctica se puede usar la estadística gaussiana. La varianza del ruido cuántico ( que puede ser considerado como un ruido blanco) viene dada por: donde ∆f es el ancho de banda del sistema receptor. El valor de Δf depende del diseño del receptor completo. Raramente es el ancho de banda del receptor el que limita este valor, sino que existirán elementos de la circuitería que lo limitarán a valores más pequeños. La corriente de oscuridad suele incluirse también en este término ( también induce ruido cuántico) por lo que: comunicaciones ópticas

18 RUIDO EN FOTODETECTORES
El ruido térmico (también ruido de Johnson) aparece porque en cualquier elemento de un circuito los electrones sufren movimientos aleatorios, que inducen una corriente aleatoria incluso en la ausencia de luz. El elemento que más influye en la generación de esta corriente aleatoria que se superpondrá a la que genera el diodo será la resistencia de carga. Estrictamente hablando este ruido no corresponde al fotodiodo, pero se ha de incluir porque siempre el fotodiodo convierte la intensidad eléctrica a voltaje en algún sitio. Entonces: La corriente aleatoria dada por el proceso térmico sigue una estadística gaussiana y su densidad espectral es prácticamente constante hasta 1 THz ( casi ruido blanco). Su varianza viene dada por: no depende de Ip Sólo se tiene en cuenta la resistencia de carga, pero se deben incluir nuevos términos que consideren el ruido térmico de los otros elementos del circuito receptor. Una solución sencilla es incluir un término nuevo Fn (figura de ruido del amplificador): comunicaciones ópticas

19 - RELACIÓN SEÑAL A RUIDO EN P-I-N’S
Para un p-i-n no hay más contribuciones, por lo que la varianza total de la corriente viene dada por la suma de los cuadrados, ya que los efectos no están correlacionados: La relación señal a ruido será, por tanto: En la mayoría de los casos la intensidad generada es muy pequeña (llega poca luz) por lo que el ruido térmico domina sobre el cuántico: diremos que estamos en el límite de ruido térmico. En ese caso: La SNR aumenta pues con el cuadrado de la potencia incidente o aumentando la resistencia de carga: esto llevará, a usar circuitos receptores de alta impedancia. Un parámetro que se suele usar para conocer la potencia necesaria para conseguir un SNR determinado, conocido el ancho de banda es el NEP (noise equivalent power): mínima potencia por unidad de ancho de banda para conseguir SNR =1 comunicaciones ópticas

20 RELACIÓN SEÑAL A RUIDO EN P-I-N’S
Valores típicos de NEP: 1-10 pW/Hz1/2 Otro valor que se suele dar es la detectividad D = NEP-1 o incluso la detectividad específica D *= D√A (A: área del detector) Si se aumenta mucho la potencia incidente se empezará a limitar el ruido cuántico. En el límite en el que la varianza por ruido cuántico sea mayor que la del ruido térmico nos encontraremos en el límite de ruido cuántico: La relación señal a ruido puede ser dispuesta en función del número de fotones que debe llevar un bit “ 1” para conseguir dicha SNR. Si consideramos una tasa de transmisión NRZ, entonces B ~ 2Δf y la potencia en un bit ( energía por unidad de tiempo) será P = NphνB, luego: Alrededor de unos 100 fotones serán necesarios para conseguir una SNR de 20 dB en el límite de detección cuántico, mientras que en el térmico se necesitarían varios miles de fotones para conseguir la misma SNR. comunicaciones ópticas

21 -RELACIÓN SEÑAL A RUIDO EN APD’S
En APD’s la responsividad del detector aumenta en gran medida debido al parámetro de ganancia M: IP = MRPin si el receptor no tuviese ruido, la SNR debería aumentar un factor M2. Evidentemente esto no es así porque el ruido cuántico (el térmico no) se ve afectado por un factor similar, por lo que habrá que estudiar el problema. Realmente el estudio del aumento del ruido cuántico no es sencillo porque el proceso de generación de pares electrón-hueco por ionización de impacto es, a su vez, un proceso aleatorio. No basta con añadir un término M2 al valor de la varianza del ruido cuántico, sino que el resultado final es: donde: 1 2 10 50 200 100 kA = 1 kA = 0.2 kA = 0.02 kA = 0 Ganancia del APD (M) Factor del ruido en exceso FA Una vez más se advierte la mejora de las características del APD si el valor de k <<1. comunicaciones ópticas

22 -RELACIÓN SEÑAL A RUIDO EN APD’S
De la fórmula anterior se ve que en el límite de ruido térmico la SNR mejora un factor M2, pero en el caso de límite de ruido cuántico la SNR disminuye un factor FA. En cualquier caso no va a ser mejor utilizar un APD sobre un p-i-n, sólo en los casos en que el ruido térmico domine. Para mejorar la SNR hay un valor óptimo de M que se calcula diferenciando la ecuación anterior con respecto a M y obteniendo el máximo, por lo que: -40 -35 -30 -25 101 kA = 1 kA = 0.01 kA = 0.1 kA = 0 Potencia óptica incidente (dBm) Ganancia optima del APD kA = 0.001 100 102 103 -20 Representando esos valores para un receptor con valores típicos de InGaAs en 1.55 µm, se puede ver que si k tiende a cero se puede utilizar un valor grande de M en un receptor APD. Para valores de k en el rango de 0.7 (típico en InGaAs) el valor de M que optimiza el SNR está en la decena; para Si, con k ~ 0, el valor de M puede llegar a ser de una centena. comunicaciones ópticas

23 -APD’S FRENTE A P-I-N’S
Limite térmico cuántico pin APD SNR Pin(W) 1X106 500000 100000 50000 0.001 0.0005 0.0002 0.0001 Depende de la relación SNR necesaria será más conveniente usar un p-i-n o un APD en cada una de las regiones en las que limita el ruido térmico o el cuántico. Hay que tener en cuenta que el APD siempre es más caro y más complejo de usar que el p-i-n. Datos: RL = 1 kΩ, Fn = 2, R = 1 A/W, Id = 2 nA, T = 300 oK, FA = 2, M = 100, Δf = 1 GHz comunicaciones ópticas comunicaciones ópticas

24 PIN’S COMERCIALES

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