EMISORES Y DETECTORES OPTICOS
INTRODUCCIÓN
Las
fuentes ópticas son transductores que generan una onda portadora óptica que
será modulada por las señales eléctricas procedentes de un equipo analógico o
digital, mientras que los detectores transforman señales ópticas procedente de
una fibra en eléctricas para su ataque a un equipo terminal o intermedio.
Las
fuentes han de emitir luz a una longitud de onda concordante con una de las
ventanas de bajas pérdidas en la fibra
también deben cumplir otros requisitos no menos importantes:
-
Bajo consumo
-
Alta fiabilidad con
los cambios de temperatura
-
Pequeño tamaño
-
Alta potencia de
salida y pureza espectral suficiente en los casos de largas secciones de
regeneración.
-
La fuente debe
admitir en su interior la modulación a la velocidad de transmisión del sistema,
aunque últimamente puede obviarse esta condición acudiendo a moduladores
exteriores a la propia fuente.
Los
detectores ópticos demodulan la portadora óptica recibida a través de la fibra,
recuperando la señal eléctrica de información, a la que se somete
posteriormente a procesos de amplificación, filtrado, etc. en el receptor. Los detectores han de tener:
-
Alta sensibilidad
(potencia mínima necesaria en la entrada del detector para obtener una tasa de
error menor que una prefijada).
-
Bajo consumo y
pequeño tamaño.
-
Una baja tasa de
error –típicamente menos de 10 -10 – para permitir la recuperación
de la señal original.
-
Bajo ruido
-
Alta eficiencia
cuántica – rendimiento – en la conversión optoeléctrica.
FUENTES O EMISORES
ÓPTICOS
Existen
dos opciones de fuentes semiconductoras para ser utilizadas en fibras ópticas
como emisores de luz.
LED (Light
Emiter Diodo)
(Diodo
emisor de luz)
LASER (LD) (Light
Amplification by Simulated Emisión of Radiation)
(Amplificación
de luz por emisión estimulada de radiación).
El
diodo LED:
Es
un diodo de material semiconductor, que forma una unión p-n de emisión
espontánea de las mismas características
que un diodo convencional de germanio o silicio. Al tratarse de una emisión de este tipo, no
es de esperar que las ondas emitidas estén en fase entre sí, pues se trata de
un fenómeno aleatorio:
La
diferencia principal con los diodos convencionales radica en que ciertos
materiales que se utilizan como dopadores en el LED, son elegidos de tal manera
que el proceso de recombinación electrónica sea radiactivo y se genere luz.
De
acuerdo al material utilizado para construir el LED, se determinará si la luz
emitida por éste es visible o invisible y de que color.
Debido
a la gran dispersión de luz y a la distribución espectral tan amplia que
presenta un diodo LED, figura 39, éste es usado sólo cuando se requiere
realizar transmisiones a distancias cortas y con poca salida de potencia. Son relativamente baratos y poseen un tiempo
de vida útil muy largo (107 horas).
Para
aplicaciones prácticas en telecomunicaciones y por razones de velocidad y
capacidad de transmisión, se desarrollaron los siguientes tipos de LED:
LED de Emisión por
Superficie (Tipo Burrus)
Este
diodo emite la luz en muchas direcciones, pero según la forma física de la
unión, puede concentrarse en un área muy pequeña denominada pozo. Con la ayuda de lentes ópticos que se colocan
en superficie, se pueden lograr mayores concentraciones de luz. Figura 40.
LED Emisor de Borde
(Diodos ELED)
Este
diodo emite un patrón de luz en forma elíptica, más direccional que el emitido
por los diodos de emisión superficial. Figura 41.
Los
diodos emisores superficiales son más utilizados que los diodos emisores de
borde, porque emiten más luz; sin embargo, sus pérdidas de luz por conexión son
mayores y su ancho de banda muy angosto.
De
todo lo expuesto, se deduce que las aplicaciones en sistemas de comunicaciones
se corresponden con:
-
Fibras multimodo de
apertura numérica alta, que compensa la gran superficie de emisión y la baja
potencia de salida y fibras monomodo.
-
Secciones de
regeneración pequeñas o recorridos cortos) redes locales o tendidos en pequeñas
áreas) que no precisen regeneradores, ya que el gran ancho espectral
lleva a dispersiones muy altas, provocando incluso que la dispersión
cromática pueda superar a la modal.
-
Baja velocidad de
modulación, función del ancho de banda permitido.
Características de los diodos LED
|
|
LED
|
ELED
|
|
Longitud de onda (nm)
Anchura spectral (nm)
Corriente de excitación (mA)
Potencia Media de salida (mW)
Anchura de banda (MHz.Km)
Temperatura máxima admisible
Vida media (horas)
|
850-1300
30-110
20-300
1
10-50
60°
107
|
850-1300
10-50
20-300
<3
50-200
60°
107
|
El
diodo LASER:
EL LASER es básicamente un diodo
semiconductor de emisión estimulada que cuando se polariza directamente emite
una luz coherente, monocromática y muy estrecha en su ancho espectral, de 1 a 5
nm. Figura 42.
Esta luz debido a su espectro tan
estrecho, no se dispersa tanto como la luz producida por un diodo LED, por lo
que se puede emplear eficientemente para transmisiones a mucha distancia y a
frecuencia muy superiores a las 300 Mhz.
Consta básicamente de una estructura (p
– n) y contactos metálicos, figura 43.
inicialmente se fabricó de GaAs, luego pasó a ser fabricado de GaAIAs,
logrando así emisiones en la franja de 800 a 900 nm, que es donde está la
primera ventana de transmisión de las fibras ópticas.
El diodo LASER produce una salida de 5
mw, con una corriente de 200 mA y una tensión de 1,5 voltios.
Existen 2 tipos de diodos LASER:
1.
Diodos Laser de
franjas de óxidos (DL) GaAIAs / GaAs.
2.
Diodos Laser con
control por índice (ILD) GaInAsP / InP.
Otras propiedades de los LASER
Por la rapidez de la emisión estimulada,
los láseres pueden ser modulados a velocidades más altas que los LED. Otra característica importante del láser es
la dependencia de la potencia de emisión con la temperatura, lo que obliga a
incorporar en el módulo transmisor circuitos de control de la corriente de
polarización, o bien mantener el láser en un ambiente térmicamente estable.
En cuanto al espectro de emisión, es de
notar que varía desplazándose a mayores longitudes de onda al aumentar la
temperatura.
Características de los diodos LASER
|
|
Ga Al As
|
In Ga As P
|
|
Longitud de onda (nm)
Anchura spectral (nm)
Estabilidad espectral (nm/°C)
Potencia (mW)
Corriente Umbral (mA)
Ancho de banda (GHz)
Vida media (horas)
|
800-900
0,1-4
0,2
5-20
80-150
0,5-2
106
|
900-1550
0,1-6
0,5
5-20
40-100
0,5-2
106
|
DETECTORES ÓPTICOS
El detector convierte la señal óptica
que procede de la fibra en señal eléctrica como primera parte del proceso de
recepción; a continuación, la señal se regenera, bien para llevarla a un equipo
terminal o para ser incorporada a la siguiente etapa de un repetidor óptico.
Los sistemas que operan actualmente,
incorporan la detección directa de una señal que moduló en intensidad a la
portadora de la fuente láser; el detector se limita a obtener una fotocorriente
a partir de la luz modulada incidente, por lo que esta corriente será
proporcional a la potencia recibida y corresponderá a la forma de onda de la
moduladora.
En principio, el tipo más sencillo de
detector corresponde a la unión p-n de un semiconductor cuyo intervalo de
energía entre las bandas de valencia y de conducción sea pequeño, lo que
permitirá que un fotón que incida en la unión tenga suficiente energía para
permitir la creación de un par electrón-hueco.
Ambos portadores circularán en sentidos opuestos, creando una
fotocorriente sobre el circuito externo.
En sistemas con fibra óptica se utilizan
básicamente dos tipos de semiconductores detectores de luz: fototransisitores
y fotodiodios.
Fototransitores:
A pesar de poseer buena sensibilidad, no
posibilitan altas velocidades de transmisión, lo que limita su aplicación.
Fotodiodios:
Los Fotodiodos son diodos
semiconductores que operan polarizados inversamente. Durante la absorción de la luz, cuando un
fotodiodo 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 (10 –9 A) y por lo tanto se requiere de una
amplificación para manipular adecuadamente la señal.
Los
fotodiodos utilizados actualmente son:
PIN (Positivo –
Intrínseco – Negativo)
APD
(Fotodiodo de Avalancha)
Fotodiodo
PIN
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. Se aplica
una tensión de polarización inversa.
Figura 44.
La
luz entra al diodo por una ventana muy pequeña y es absorbida por el material
intrínseco, el cual agrega la energía suficiente para lograr que los electrones
se muevan de la banda de valencia a la banda de conducción y se generen
portadores de carga eléctrica que permiten que una corriente fluya a través del
diodo.
Los elementos más utilizados en la
fabricación de este tipo de detectores son el Germanio y últimamente se utiliza
el GaAs, GaInAs, InP, con resultados muy buenos.
Los diodos PIN requieren bajas tensiones
para su funcionamiento, pero deben utilizar buenos amplificadores. Presentan tiempos de vida relativamente
altos. Que podrían reducir únicamente por factores externos y son los más
indicados para el uso en la segunda y tercera ventana de transmisión (1300 y
1550 nm).
Fotodiodo APD (Avalancha)
Los fotodiodos de avalancha son una
estructura de materiales semiconductores, ordenados en forma p-i-p-n. Figura
45.
La luz entra al diodo y es absorbida por
la capa n, haciendo que ciertos electrones pasen de la banda de valencia a la
banda de conducción.
Debido al gran campo eléctrico generado
por la polarización inversa, los electrones adquieren velocidades muy altas y
al chocar con otros electrones de otros átomos, hacen que éstos se
ionicen. Los átomos ionizados ionizan a
su vez otros átomos, desencadenando un efecto de avalancha de corriente
fotoeléctrica.
Los fotodiodos APD son 10 veces más
sensibles que los diodos PIN y requieren de menos amplificación adicional. Su desventaja radica en que los tiempos de
transición son muy largos y su vida útil es muy corta.
Los fotodiodos APD de Silicio presentan
ruido bajo y un rendimiento hasta del 90% trabajando en primera ventana. Su factor de ganancia, M, es alto (de 50 a
150) y no es crítico, porque la ganancia del receptor es fácilmente controlable
mientas el factor F sea bajo.
Su sensibilidad es casi
inversamente proporcional a la velocidad
binaria, típicamente de –64 dBm a 8 Mb/s
y –50 dBm a 140 Mb/s y el tiempo medio entre fallas es de 107
horas. La corriente de oscuridad es
relativamente baja: a 25 °C está entre 1
y 5 nA. En cuanto a los anchos de banda
obtenidos comercialmente, superan 1 GHz.
Como inconveniente, está su alta tensión
de alimentación (200-300 V),
Los fotodiodos APD de germanio trabajan
con longitudes de onda comprendidas entre 1000 y 1300 nm y rendimientos del 70%
presentan como incoveniente el ajuste y control de factor M que, por cierto,
tiene un valor óptimo más bajo (15¸20)
que en los de silicio. Se puede
prolongar su funcionamiento hasta los 1550 nm, pero necesitan entonces una zona
de deplexión próxima a las 10 mm, frente a las 3 ó 4 que son
habituales. Además de esto, la
aplicación para 1550 nm suele ir acompañada de mayores velocidades de
transmisión y en este sentido el APD de germanio es bastante limitado.
De lo indicado en el párrafo anterior,
la corriente de oscuridad es alta (del orden de 0,1 mA)
y se duplica cada 9 ó 10 °C, afectando a su sensibilidad.
Esta varía, igual que en los de silicio,
con el régimen binario, siendo valores habituales los siguientes:
-45 dBm a 34 Mb/s
-40 dBm a 140
Mb/s
-35 dBm a 565
Mb/s
en cuanto a la tensión
necesaria para la polarización, es del orden de los 30 V, encontrándose en el
mercado fotodiodos de este tipo cuyos anchos de banda alcanzan 1 GHz.
Características comparativas 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.
Fotodiodos PIN-FET
Para la determinación de la
relación señal-ruido de un receptor, la capacidad del detector es decisiva para
que aquella sea máxima, y una solución alternativa a los APD en altas
longitudes de onda (desde 1500 hasta 1700 nm) la constituye un diodo PIN
seguido de un preamplificador de bajo nivel de ruido, aunque se puede utilizar
desde los 800 nm con un rendimiento cuántico más bajo, del orden del 40%.
En cualquier caso, se utiliza
una capa muy empobrecida de GaAsIn de unas 3 mm de espesor; la estrechez de esta capa y
el bajo tiempo de tránsito de los portadores implica que el componente sea
especialmente rápido, con un ancho de banda teórico de 15 GHz, que, por
consideraciones relativas al encapsulado del detector, debe limitarse a un
máximo de 2 GHz.
Estas configuraciones
constituyen detectores optoelectrónicos integrados de gran interés, debido a su
mayor ancho de banda y bajo costo y consisten en un fotodiodo PIN de GaAlAs y
un circuito amplificador del tipo FET de GaAs integrados monolíticamente, en
lugar de utilizar un diodo discreto cableado al transistor de entrada del
amplificador, lo que redunda en beneficio de la baja capacidad del
conjunto.
Características
típicas de diodos PIN-FET
|
Longitud de Onda
|
850-900
|
1300-1550
|
|
Materiales
Capacidad
de entrada (pF)
Corriente
de oscuridad
Sensibilidad
a 140 Mb/s (dBm)
Rendimientos
(%)
Tensión
de alimentación (V.)
|
Si
0,1
40
pA
-45
40¸970
|
InGaAs
0.2
1 mA
-44
70¸95
|
|
En torno a 5 en ambos casos
|
PARAMETROS DE ELEMENTOS ACTIVOS
A) DE LOS EMISORES
1. Longitud
de Onda de Emisión:
Es
la longitud de onda de trabajo correspondiente a la máxima potencia
emitida.
2. Ancho
Espectral
Es
el ancho del espectro de emisión de la fuente entre puntos al 50% de la máxima
potencia emitida.
3. Lóbulo
de Emisión
Es
la magnitud relativa de la potencia radiada en función de la dirección a partir
del eje óptico previsto en el encapsulado del emisor. Es conocido a través de los ángulos de
radiación sobre las direcciones paralela y perpendicular a la unión.
4. Potencia
Optica de Emisión
Es
la potencia de radiación óptica emitida para un determinado valor de la
corriente inyectada.
5. Emitancia
Radiante
Potencia
óptica emitida por unidad de área radiante (W/cm²).
6. Intensidad
Radiante
Potencia
óptica emitida por unidad de ángulo sólido (W/st).
7. Radiancia
Potencia
óptica por unidad de área radiante y unidad del ángulo sólido del lóbulo de
emisión (W/st.cm²).
8. Area
Radiante
Superficie
de emisión de la unión.
9. Corriente
Umbral
(Sólo
para los diodos LD). Es la corriente
eléctrica de inyección a partir de la cual y para valores superiores, se
produce el fenómeno de radiación estimulada.
10. Tiempo
De Subida
El
necesario para que la señal de respuesta a un impulso eléctrico pase del 10% al
90% de su valor final.
11. Tiempo
de Bajada
El
necesario para que ese impulso pase del 90% al 10% de su amplitud.
B) DE
LOS DETECTORES
1. Eficiencia
Cuantica
Promedio
de electrones generados por fotón incidente.
2. Sensibilidad
Espectral
Relación
entre la potencia eléctrica de salida y la potencia óptica incidente.
3. Corriente
de Oscuridad
Corriente
de salida en el detector en ausencia de radiación óptica.
4. Ancho
de Banda Optico
Anchura
espectral correspondiente a una sensibilidad espectral igual o mayor al 50% del
valor máximo.
5. Ancho
de Banda Eléctrico
Conjunto
de frecuencias que, modulando a la radiación óptica, pueden ser detectadas con
una potencia igual o mayor al 50% del valor máximo. También se define por los tiempos de subida y
caída del impulso eléctrico obtenido como respuesta a un impulso óptico incidente
idealmente estrecho (impulso Dirac).
6. Potencia
de Ruido Equivalente
Potencia
óptica de entrada necesaria para producir una señal eléctrica de salida igual
al ruido del fotodetector por unidad de ancho de banda eléctrico.
7. Detectividad
Inverso
de la potencia de ruido equivalente.
8. Ganancia
Valor
del parámetro que define el efecto multiplicador de corriente en los fotodiodos
de avalancha.
9. Apertura
de Entrada
Máximo
ángulo de incidencia de la luz para el que la superficie detectora aparece
totalmente iluminada.
