Receptores Ópticos em Comunicações Ópticas

Comunicações Ópticas Semana 12 241023 Professor Maurício Moderno de Carvalho PhD Departamento de Engenharia Elétrica v20232 Objetivos Receptores ópticos Comunicações Ópticas Semana 12 Receptores ópticos Receptores RX recebem o sinal óptico e convertemno para o domínio elétrico Além disso em geral reduzem o ruído através de filtros ópticos eou elétricos e amplificam o sinal nos domínios óptico eou elétrico No caso de formatos de modulação envolvendo fase podem incluir também interferômetros e osciladores locais O principal elemento do RX é o fotodetector Receptores ópticos Fotodetectores Um fotodetector converte um sinal óptico em um sinal elétrico Sinal elétrico uma corrente é proporcional ao módulo ao quadrado do campo óptico e portanto não é capaz de distinguir fase Receptores ópticos Fotodetectores Requisitos básicos Sensibilidade no comprimento de onda requerido Conversão eficiente de fótons para elétrons Baixo ruído Pequena área para apresentar baixa capacitância e portanto resposta rápida Área suficiente para conexão direta com fibras ópticas Alta confiabilidade Baixo custo Receptores ópticos Fotodetectores Ve Ve Ev Ec Eg hf Eg semicondutor tipo p semicondutor tipo n região de depleção Distância Energia Elétrons são atraídos pelo contato ve Corrente Detector Elétrons Lacunas são atraídas pelo contato ve Corrente Detector Lacunas Elétron Lacuna p n Receptores ópticos Probabilidade de absorção de fótons Depende doa Espessura da região de depleção W Coeficiente de absorção do material α Comprimento de onda da luz incidente λ No de fótons perdidos antes da região de depleção Reflexão na superfície Fótons de entradas A Fótons de saídas AexpαW Fótons absorvidoss A1expαW região de depleção do material W Se W é grande o tempo de trânsito é longo fotodiodo lento Potência absorvida e Eficiência A potência absorvida pode ser escrita como Como cada fóton absorvido cria um par elétronlacuna A eficiência quântica é dada por onde potência transmitida é dada por através da largura da região de depleção W Bias reverso e fotocorrente Aplicar tensão bias reversa no fotodetector Aumenta o campo elétrico na região de depleção Diminui a capacitância aumenta a velocidade da resposta Aumenta a sensibilidade e resposta em frequência fotocorrente bias reverso Intensidade de campo p n resistor de carga Região de depleção Distância Absorção 10 O coeficiente de absorção depende do comprimento de onda da luz e do bandgap do material 04 06 08 10 12 14 16 18 102 103 104 105 Si GaAs InGaAsP Ge Coeficiente de absorção óptica α cm1 Comprimento de onda μm Extremidade das bandas Corrente de escuro A corrente de escuro dark current é uma corrente de fuga presente mesmo quando não há luz Ela tem origem na geração de elétrons livres e lacunas na região de depleção devido a defeitos na estrutura cristalina ou gerados termicamente A medida em que a luz incidente aumenta a fotocorrente cresce linearmente Bias reverso V Fotocorrente Aumento da potência óptica incidente Corrente de escuro 10 nA potência óptica zero Eficiência quântica A eficiência quântica η é a probabilidade de um fóton incidente produzir um par elétronlacuna Responsividade A responsividade Rd AW é a fotocorrente produzida por unidade de potência óptica incidente A responsividade de um fotodiodo é bastante alta Rd 1 AW em função de uma alta eficiência quântica Quanto mais longo for o comprimento de onda maior pode ser a corrente para uma determinada potência 06 AW em 850 nm 1 AW em 1300 nm Responsividade dependência com o comprimento de onda Diferentes materiais são apropriados para diferentes janelas ópticas 06 08 10 12 14 16 18 05 10 Comprimento de onda μm 100 de eficiência quântica Si Ge InGaAs R AW Tempo de subida Quando a tensão de entrada em um circuito RC é alterada de modo abrupto de 0 a V0 a tensão de saída varia na forma Tr é definido como o tempo necessário para que a corrente passe de 10 a 90 de seu valor final quando a potência óptica muda abruptamente onde O tempo de subida de um fotodetector pode ser escrito onde é o tempo de trânsito para que os portadores sejam coletados Largura de banda A largura de banda de um fotodetector é definida de modo análogo à de um circuito RC sendo dada por Como exemplo quando a largura de banda do fotodetector é inferior a 1 GHz Fica claro que ambos devem ser reduzidos abaixo de 10 ps para os fotodetectores exigidos por sistemas de ondas luminosas que operam a taxas de bits de 10 Gbs ou mais Existe um equilíbrio entre largura de banda e responsividade velocidade versus sensibilidade Largura de banda A largura de banda é limitada pelo tempo de trânsito onde W é a largura da região de depleção e é a velocidade de deriva Tipicamente W 10 μm 105 ms e 100 ps A constante de tempo RC pode ser escrita como onde RL é a resistência de carga externa Rs é a resistência série interna e Cp é a capacitância parasita Otimizando esses parâmetros fotodiodos PN modernos são capazes de operar a taxas de bits de até 40 Gbs Difusão A difusão é um processo inerentemente lento em que os portadores levam da ordem de nanossegundos ou mais para se difundirem por uma distância de cerca de 1 µm Podese reduzir este tempo diminuindo as larguras das regiões p e n com o aumento da largura da região de depleção Uma forma de aumentar a largura da região de depleção é inserir uma camada de material semicondutor não dopado intrínseco Fotodetector PIN Adicionar uma região intrínseca sem dopagem entre as regiões p e n Aumenta a largura da região de depleção Aumenta a absorção da luz incidente Aumenta a eficiência quântica do fotodetector tipo p contatos metálicos recobrimento anti reflexão Intensidade de campo tipo n Intrínseco região de depleção Distância Velocidade do fotodetector PIN Velocidade máxima taxa de modulação detetável isto é a resposta elétrica em frequência A velocidade é limitada por Velocidade dos portadores na região de depleção Tempo de difusão dos portadores fora da região de depleção Constante de tempo do circuito definido por capacitância da junção pn resistência de carga Ve Ve p n i difusão difusão capacitância velocidade Fotodiodo PIN Fotodetector avalanche APD Região de avalanche maior campo elétrico interno Acelera portadores mais energia cinética Maior energia libera elétrons ligados durante colisões Elétrons liberados podem também colidir liberando mais elétrons Resultado ganho de corrente multiplicação por avalanche intrínseco p p Absorção nesta região Ganho nesta região Intensidade de campo n Região de avalanche Região intrínseca Características de APDs comuns Fotodiodo PIN Comparação entre APD PIN um APD tem ganho enquanto um PIN não tem pode detectar sinais mais fracos do que um PIN requer uma tensão de bias mais alta do que um PIN é mais ruidoso do que um PIN é mais sensível a variações de temperatura e tensão de bias do que um PIN é mais caro do que um PIN Fourier de um sinal revisão Projeto de Receptores Diagrama em blocos de um receptor óptico digital mostrando os vários componentes As linhas tracejadas verticais agrupam os componentes do receptor em três seções Projeto de Receptores Projeto de Receptores Sinal digital Dados digitais Relógio Relação SinalRuído SNR Aumento na SNR com a potência recebida Pin para três valores do ganho M de APD para um receptor com 30 GHz de largura de banda O caso M 1 corresponde a um fotodiodo pin Sensibilidade de receptores a Sinal de flutuação gerado no receptor b densidades de probabilidade gaussiana de bits 1 e 0 A região hachurada mostra a probabilidade de identificação incorreta KEISER G Comunicações por fibras ópticas 4a edição McGrawHill AMGH Editora 2014 Ebook acesso online via biblioteca UPM AGRAWALG Fiber Optic Communications Systems 4th edition New York John Wiley Sons 2010 RAMASWAMI R SIVARAJAN K N Optical Networks A Pratical Perspective 2nd edition San Francisco Morgan Kaufmann Publishers 2003 RIBEIRO J A J Comunicações Ópticas 4ª edição São Paulo Ed Érica 2011 Referências