Receptores

Universidad Polité
Politécnica de Madrid
ETSI TELECOMUNICACIÓ
ELECOMUNICACIÓN
Departamento de Tecnologí
Tecnología Fotó
Fotónica
Comunicaciones Ópticas
Receptores
José
José M. Otó
Otón
Abril 2005
Guió
Guión
•
Receptores
•
•Rendimiento cuántico
•Esquema general
•Materiales para detectores
•Detección de luz
•
Parámetros de los detectores
•Responsividad
•Respuesta característica
•Recta de carga y punto de trabajo
Detectores
•Unión p-n
•Tabla comparativa
•El fotodiodo pin
•Sensibilidad
•El fotodiodo de avalancha (APD)
•Comportamiento dinámico
•Ganancia APD
•
El receptor
•Esquema del amplificador
•Circuito equivalente de ruido
•Fuentes de ruido en detectores
•Baja y alta impedancia
•Transimpedancia
•Relación señal-ruido y BER
1
Esquema general de un receptor
El receptor constituye la parte más crítica de un sistema de CCOO.
El sistema completo de transmisión se diseña a partir del receptor.
Está compuesto por un detector de semiconductor (usualmente un diodo pin),
polarizado en inversa, un bloque de amplificación y un bloque de regeneración
de la señal.
El detector convierte la señal óptica en corriente eléctrica. Ya en el dominio
eléctrico, es transformada en una señal de tensión que se amplifica y
regenera.
Materiales para detectores
AA diferencia
diferencia de
de los
los emisores,
emisores,
los
detectores
emplean
los detectores emplean
materiales
materiales SC
SC tanto
tanto de
de gap
gap
directo
directo como
como indirecto.
indirecto.
Los
Los materiales
materiales de
de gap
gap directo
directo
tienen
tienen un
un coeficiente
coeficiente de
de
absorción
absorción muy
muy alto
alto aa partir
partir
del
del gap.
gap.
Los
Los de
de gap
gap indirecto
indirecto (p.ej.,
(p.ej.,
Ge)
Ge) presentan
presentan un
un coeficiente
coeficiente
moderado
moderado que
que crece
crece
notablemente
notablemente alal bajar
bajar lala
longitud
longitud de
de onda
onda (paso
(paso gap
gap
indirecto
indirecto Æ
Æ directo)
directo)
2
Respuesta de un diodo
x1
x2
Φ1 = Φ 0 (1 − R)
Φ ( x) = Φ 0 (1 − R )[1 − exp(−αx)]
Φ útil = Φ ( x1 ) − Φ ( x2 )
Estructura pin y APD
En el pin se prefiere que la luz entre por la cara p porque mejora la respuesta
dinámica. En el APD se entra por la cara n para acelerar la recolección de
ionización secundaria.
3
Tiempo de respuesta
telectrón = l / ve
ie =
N e N e ve
=
te
l
ih =
N h vh
l
La
Laforma
formade
delos
lospulsos
pulsos
depende
dependede
delala
movilidad
de
los
movilidad de los
portadores.
portadores.Así
Asísu
su
forma
formaes
esdistinta
distinta
dependiendo
del
punto
dependiendo del punto
de
deentrada
entradade
delalaluz.
luz.
Los
Losfotodiodos
fotodiodospin
pin
usualmente
usualmenteaceptan
aceptanlala
luz
luzpor
porlalacara
carap,p,para
para
mejorar
mejorarlalarecolección
recolección
de
dehuecos,
huecos,más
máslentos.
lentos.
Ganancia APD
M
M
1000
T
100
λ
100
10
Ruptura Zener
1000
10
1
1
0
100
200
300
400
Tensión (V)
500
0
100
200
300
400
500
Tensión (V)
Los
Losfotodiodos
fotodiodosde
deavalancha
avalanchaAPD
APDfuncionan
funcionanaatensiones
tensionesaltas.
altas.Su
Suganancia
gananciavaría:
varía:
• • con
temperatura
conlalatemperatura,
temperatura,porque
porquelalaagitación
agitacióntérmica
térmicafavorace
favoracelalarecombinación
recombinaciónreduciendo
reduciendolalamultiplicación
multiplicación
• • con
onda
seamenor
menorque
quelala
conlalalongitud
longitudde
deonda,
onda,puesto
puestoque
queelelpar
parprimario
primariogenerado
generadoes
eselelmismo
mismosiempre
siempreque
queλλsea
λλdel
delgap.
gap.
• • AAtensiones
tensionesmuy
muyaltas
altasentra
entraen
enruptura
rupturaZener
Zeneryylalaganancia
gananciase
sehace
haceinfinita
infinita(produce
(producecorriente
corrientesin
sinluz).
luz).
4
Rendimiento cuá
cuántico y responsividad
Responsividad
Responsividad de
de
un
un fotodetector
fotodetector
de
de silicio
silicio
La
La Responsividad
Responsividad
es
es una
una medida
medida del
del
rendimiento
rendimiento de
de un
un
fotodetector.
fotodetector. Se
Se
expresa
expresa en
en A/W
A/W
yy está
relacionada
está relacionada
con
con el
el rendimiento
rendimiento
cuántico.
cuántico.
−
η=
e producidos
I /e
hν
hc
=
=ℜ
=ℜ
fotones incidentes Φ / hν
e
λe
El rendimiento cuántico es casi independiente de la longitud de onda en un rango
amplio. Por esa razón, la responsividad crece de forma aproximadamente lineal
con la longitud de onda.
Respuesta fotodiodo
5
Recta de carga de un fotodiodo
El
El fotodetector
fotodetector funciona
funciona como
como un
un generador
generador
de
corriente
casi
ideal,
dependiente
de corriente casi ideal, dependiente sólo
sólo de
de
lala potencia
potencia óptica
óptica recibida,
recibida, ee independiente
independiente
de
de lala tensión
tensión de
de polarización.
polarización.
Para
Para ello
ello es
es preciso
preciso situar
situar el
el punto
punto de
de
trabajo
en
el
tercer
cuadrante.
cuadrante
trabajo en el tercer cuadrante. La
La posición
posición
está
está determinada
determinada por
por lala tensión
tensión de
de
polarización
polarización yy lala resistencia
resistencia de
de carga.
carga.
Comparativa de fotodiodos
Material
Tipo
λ
pin
Si
APD
400-1100
pin
Ge
R/M
Id (nA)
τr (ns)
B/B·M (GHz)
Vpol
0,4-0,6
1-10
0,5-1
0,3-0,7
5
20-400
0,1-1
0,1-2
2-5
150-400
0,4-0,5
50-500
0,1-0,5
0,5-3
5-10
50-200
50-500
0,5-0,8
2-10
20-40
0,75-0,95
0,5-2
0,05-0,5
1-2
5
10-40
10-50
0,1-0,5
20-250
20-30
800-1800
APD
pin
InGaAs
1100-1700
APD
Valores
Valores típicos
típicos de
de fotodiodos
fotodiodos comerciales
comerciales
6
Sensibilidad
Potencia
Potencia mínima
mínima
que
que se
se necesita
necesita
para
para detectar
detectar
un
un bit
bit con
con una
una
BER
concreta.
BER concreta.
Varía
Varía con
con elel
régimen
régimen binario.
binario.
Amplificador y circuito equivalente de ruido
Ruidos en receptor
• Shot Æ límite absoluto
• Térmico
• Corriente de ruido del
amplificador
• Tensión de ruido del
amplificador con R
• Tensión de ruido del
amplificador con C
7
Alta y baja impedancia
Alta impedancia: Mínimo ruido, pero necesita ecualización y presenta un
rango dinámico limitado
Baja impedancia: Menor necesidad de ecualización, pero baja sensibilidad.
No se usa excepto en algunas aplicaciones de corta distancia.
Amplificador de transimpedancia
Transimpedancia: Es el
más utilizado. Evita
la mayoría de
inconvenientes del A.
de alta impedancia
añadiendo al mismo
una resistencia de
realimentación
negativa Rf,
consiguiendo a la vez
un bajo nivel de ruido
y un buen rango
dinámico.
• Amplio rango dinámico comparado con alta impedancia
• Poca o ninguna ecualización porque la combinación de R y Rf es muy pequeña
• La impedancia de salida es baja Æ menos interferencias
• Es algo menos sensible que alta impedancia, pero la diferencia se reduce a
2-3 dB en la mayoría de los casos.
8
Muestreo y BER
Problema Receptores
PROBLEMA 1: Se dispone de un fotodiodo p·i·n de silicio, polarizado en inversa con una
tensión de polarización de 10V. Se desea emplear para detectar una potencia óptica (Φopt.) de
hasta 1mW, en todo el rango visible (a partir de 400nm) y el infrarrojo cercano (hasta la
longitud de onda de corte λc).
El circuito de detección posee una resistencia de carga RL y se supone un comportamiento
lineal de la responsividad con la longitud de onda. Se incluyen además los siguientes datos:
Eg (silicio)= 1,14eV
η= 0,95 para 400nm < λ < λc
+
VD
Vpol
RL
Responsividad (AW-1)
Determine el valor máximo de RL para garantizar un funcionamiento lineal a todas las
longitudes de onda.
to
Fo
400nm
te
de
r
ct o
i de
al
Longitud de onda (µm)
λc
9
Problema Receptores (2)
Curva Característica I
del Fotodiodo a tres
potencias luminosas
(0, Φ1,Φ2 )
V
Id
Φ=0
+
VD
-
Iph1
Φ1
Iph2
Vpol
Límite de
Comportamiento
Lineal
Φ2
RL
VDiodo = VPol _ RLIph
I
I
Rectas de Carga
a distintas RL
(V POLconstante)
Rectas de Carga
a distintas VPOL
(RL constante)
V
VPOL
Φ =0
V PO L
Φ1
V
Φ=0
Ip h1
Iph1
Φ1
Iph2
Φ2
RL alta
Iph 2
Φ2
RL baja
Problema Enlace punto a punto
PROBLEMA 2. Se desea realizar un enlace
punto a punto con los siguientes elementos y
características:
Sistema:
• Tasa binaria (BR o BT), BR = 622Mbps
• Formato NRZ
• Tasa de error (BER), la correspondiente a
una relación señal/ruido de 23 dB
• Margen de seguridad: 6dB
Receptor
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Fotodiodo PIN
Responsividad: ℜ = 0,7A/W
Corriente de oscuridad: ID =100pA
Capacidad: Cph = 0,3pF
Amplificador de transimpedancia
Ganancia en lazo abierto: A = 20dB
Impedancia de entrada: Zi = 1MΩ║0,5pF
Ancho de banda con realimentación, BW = 650 MHz
Tensión de ruido: = 0,1nV/Hz½
Corriente de ruido despreciable
Emisor
•
•
•
•
•
Diodo láser
Longitud de onda: λ0 = 1550nm
Potencia acoplada a fibra: P0 = 0dBm
Anchura espectral: σλ = 0,5 nm
Tiempo de conmutación: te = 0,2ns
Fibra Óptica
•
•
•
•
•
•
Monomodo en 3ª ventana
Atenuación: αF = 0,5dB/km
Pérdidas en las soldaduras: αs = 0,1dB
Pérdidas por conexión: αc = 1dB
Longitud de los carretes: l = 5km
Dispersión cromática: DT = 17ps/nm·km
Estudie la longitud máxima del enlace.
10
Problema Enlace punto a punto II (grá
(gráficas)
PROBLEMA 3. Se dispone de un enlace digital punto
a punto IM/DD (modulación por corriente,
detección directa), con modulación NRZ a 2,5Gbps,
con las siguientes características:
Transmisor
• Característica potencia óptica acoplada en la fibracorriente dada por la figura 1
• Espectro de emisión en condiciones de modulación
a 2,5 Gbps dado por la figura 2
• Respuesta temporal a un escalón de corriente, con
IOFF = 10mA, dado por la figura 3
• Pérdidas en el conector transmisor-fibra: 0,5dB
Fibra monomodo de dispersión aplanada:
• Longitud = 80km
• Atenuación dada por la figura 4 (curva
experimental)
• Dispersión intramodal dada por la figura 5 (curva de
dispersión aplanada)
• Índice efectivo neff = 1,475
• Pérdidas en las soldaduras: despreciables
Receptor
• Promedio de fotones necesarios en cada bit “1” para
asegurar una BER de 10-9: 10.000
• Ancho de banda del amplificador: 10GHz
• Constante de tiempo RC del fotodetector y tiempo
de tránsito:despreciables
• Pérdidas en el conector receptor-fibra: 0,5 dB
Sistema:
• Máxima tasa de error admisible: BER = 10-9
• Criterio para el balance de tiempos: tsys ≤ 0,25 TB (tsys es el
tiempo de subida 10-90% del sistema en respuesta a una
función escalón y TB es el tiempo de bit)
• Margen de seguridad: 4dB + Penalizaciones en Potencia
oPenalización en potencia debida a la interferencia entre
símbolos dada por la figura 6
oPenalización en potencia debida a la relación de
extinción (definida como el cociente POFF/PON) dada por
la figura 7
• Relación entre BER y Q dada por la figura 8
1. Indique razonadamente de que tipo es el emisor empleado
(LED, Láser FP o láser monofrecuencia).
2. Determine si el enlace cumple el criterio especificado para el
balance de tiempos.
3. Tomando como dato tsys = 80ps (independientemente de lo
obtenido en el apartado anterior), y considerando IOFF =
12mA determine la mínima corriente que debe aplicarse al
emisor en el estado ON para que el enlace funcione
adecuadamente.
Nota: Marque claramente en las figuras mediante líneas los
valores leidos y su estimación, e indique en la solución el
número de la figura de la que ha obtenido cada valor.
Problema Enlace punto a punto II (grá
(gráficas)
11
Problema Enlace punto a punto II (grá
(gráficas)
Problema Sistema grá
gráficas
Se dispone de un enlace digital punto a punto IM/DD, con
modulación NRZ a 2,5Gbps, con las siguientes características:
Emisor:
Característica potencia acoplada corrienteÆFig 1
Espectro de emisión a 2,5 Gbps ÆFig 2
Respuesta a un escalón de corriente, con IOFF = 10mA, Æ Fig 3
Pérdidas en el conector transmisor-fibra: 0,5dB
Fibra monomodo de dispersión aplanada:
Longitud = 80km
Atenuación Æ Fig. 4 (curva experimental)
Dispersión intramodal dada por la figura 5
Índice efectivo neff = 1,475
Pérdidas en las soldaduras: despreciables
Receptor:
Promedio de fotones en cada bit “1” para asegurar una BER de 10-9 Æ 10.000
Ancho de banda del amplificador: 10 GHz
Constante de tiempo RC del fotodetector y tiempo de tránsito: despreciables
Pérdidas en el conector receptor-fibra: 0,5 dB
Sistema:
Máxima tasa de error admisible: BER = 10-9
Criterio para el balance de tiempos: tsys ≤ 0,25 TB (tiempo de bit)
Margen seguridad: 4dB + Penalizaciones en Potencia
Penalización en potencia debida a la interferencia entre símbolos Æ Fig. 6
P. potencia debida a la relación de extinción (definida como el cociente POFF/PON) Æ Fig. 7
Relación entre BER y Q = (S/N)óptica Æ Fig. 8
7
1
3
4
2
5
6
8
1. Indique razonadamente de que tipo es el emisor empleado (LED, Láser FP o láser monofrecuencia).
2. Determine si el enlace cumple el criterio especificado para el balance de tiempos.
3. Tomando como dato tsys = 80ps (independientemente de lo obtenido en el apartado anterior), y
considerando IOFF = 12mA determine la mínima corriente que debe aplicarse al emisor en el estado
ON para que el enlace funcione adecuadamente.
12
Problema Sistema grá
gráficas (II)
Es un láser monomodo (DFB o DBR)
Problema Sistema grá
gráficas (III)
Tiempo de subida 10-90 = 90 ps
13
Problema Sistema grá
gráficas (IV)
Anchura espectral FWHM=0,1nm
Coeficiente de Dispersión
a 1550 nm = 1,5 ps/nm/km
Problema Sistema grá
gráficas (V)
Penalización en potencia por ISI:
tsys/TB = tsys·BR = 80·10-12·2,5·109 = 0,2
14
Problema Sistema grá
gráficas (VI)
Penalización en potencia debida
a la relación de extinción: 0 dB
Problema Sistema grá
gráficas (y VII)
Coeficiente de atenuación = 0,2 dB/km
15