República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Educación Universitaria

Universidad Politécnica Territorial Del Oeste de Sucre “Clodosbaldo Russián” Cumaná, Estado Sucre

Detectores de Luz Infrarroja

Realizado por:

Carlos Córdova C.I: 19.228.593

Sección 01- PNF Electrónica

Cumaná, Marzo del 2015

Introducción

En cualquier sistema de comunicaciones se aprecian los conceptos básicos para cualquier intercambio de información: transmisor, receptor y canal. La diferencia entre un sistema u otro solamente se enfoca en la parte tecnológica, ya los principios son los mismos para todos.

En un sistema de comunicaciones ópticas se cumple ese principio ya mencionado: el transmisor consta de generadores de portadora y moduladores; para este caso, los pulsos de información modulan a la portadora que es un haz de luz que se enciende y apaga. Básicamente, el transmisor es una fuente de luz. Entre estas fuentes están los diodos LED y laser.

Para el área receptora, el receptor consiste en un dispositivo fotodetector (conversor de luz en señales eléctricas), una etapa de amplificación electrónica, el filtrado y procesador para obtener la información. Su complejidad depende del tipo de señal o información que se quiere enviar, si es análoga o digital, el tipo de codificación, y de la clase de fuente luminosa que se va a modular; aunque la finalidad es la misma: amplificar y obtener la señal original.

En cuanto a la tecnología de los fotodetectores, los más útiles aquellos basados en semiconductores. Son los más adecuados porque poseen alta sensibilidad, rápida respuesta, inducen poco o nulo ruido, tienen un bajo coste y son duraderos. Los más comunes son los fotodiodos p-i-n y los fotodiodos de avalancha. Éste puntos y otros aspectos (multiplexación WDM, transmisores y receptores en la fibra óptica, entre otros.) serán descritos en el presente trabajo de investigación.

Receptores de Luz Infrarroja

Receptores Ópticos

Un receptor óptico consiste en un elemento detector y circuitos asociados que lo capaciten para funcionar en un sistema de comunicaciones ópticas. El propósito del receptor óptico es extraer la información contenida en la portadora óptica que incide en el fotodetector. En los sistemas analógicos el receptor amplifica la salida del fotodetector y después la demodula para obtener la información. En los sistemas digitales el receptor produce una secuencia de pulsos (unos y ceros) que contienen la información del mensaje transmitido.

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. Los fotodetectores más útiles son aquellos basados en semiconductores.

Detectores Ópticos

El detector óptico se encarga de convertir las señales luminosas en señales eléctricas y por lo tanto actúa como un transductor óptico-eléctrico. Estos dispositivos absorben los fotones procedentes de la fibra óptica y generan una corriente eléctrica sobre un circuito exterior como un amplificador. Los detectores empleados en las comunicaciones ópticas son aquellos basados en los semiconductores: el fotoconductor, el diodo PIN y el fotodiodo de avalancha (APD).

Fotodiodos PN: Los fotodiodos son diodos semiconductores con uniones P-N encargados de convertir la luz que incide sobre éstos en corriente eléctrica mediante la operación de polarización inversa; mientras que en polarización directa se comportan como diodos normales.

Durante la presencia de luz los fotones son absorbidos por el semiconductor, si poseen suficiente energía generan pares electrón-hueco (mecanismo conocido como efecto fotoeléctrico) que en presencia de un campo eléctrico producen una corriente eléctrica.

Los fotodiodos son los dispositivos más adecuados ya que con ellos se tienen fotodetectores con alta sensibilidad, rápida respuesta, poco ruido, bajo coste y una alta fiabilidad. Los más comunes son los fotodiodos p-i-n y los fotodiodos de avalancha. Los fotodetectores más utilizados en las comunicaciones ópticas son el diodo PIN y el fotodiodo de avalancha (APD).

Fotodiodo PIN: El fotodiodo PIN es el detector más utilizado en los sistemas de comunicación óptica. El diodo PIN se compone de unas zonas P y N altamente conductoras junto a una zona intrínseca I poco conductiva.

Cuando al diodo se polariza inversamente, crea una zona desértica (libre de portadores) al acelerar las cargas presentes en esta zona intrínseca. Los fotones entran en la zona intrínseca y excitan a un electrón para pase de la banda de valencia a la banda de conducción, generando pares electrón-hueco o fotoportadores.

El proceso es rápido y eficiente. Son fáciles de fabricar, altamente fiables, tienen bajo ruido y son compatibles con circuitos amplificadores de tensión. Además es sensible a un gran ancho de banda debido a que no tiene mecanismo de ganancia.

Fotodetectores de Avalancha APD (fotodiodos de avalancha): Se trata de diodos de unión PN polarizados en inversa cerca de la región de ruptura, por lo que presentan elevadas tensiones y origina un efecto multiplicativo de la corriente generada.

Al aplicar alto voltaje de polarización, los portadores libres se desplazan rápidamente y con mayor energía liberando nuevos portadores secundarios al colisionar con otros átomos del semiconductor, produciendo más pares electrón-hueco. Este proceso de ionización por impacto se llama efecto avalancha.

Cuando a un fotodetector se le aumenta el voltaje de polarización la corriente aumenta por el fenómeno de avalancha, si en esta región se controla dicho fenómeno limitando la corriente (antes de la destrucción del dispositivo), la sensibilidad del fotodetector se incrementa. Su aplicación es limitada debido a sus elevadas tensiones de polarización (algunos centenares de voltios).

Parámetros de los fotodetectores

Los siguientes parámetros permiten la caracterización de fotodetectores de materiales semiconductores:

Eficiencia cuántica: La eficiencia cuántica se define como la probabilidad o razón de energía en la cual cualquier fotón es capaz de generar cualquier cantidad de portadores que contribuyan a la corriente del detector. Su expresión matemática es la siguiente:

(1-R) es el efecto de reflexión en la superficie del dispositivo, donde R es el coeficiente de reflectividad.

ζ es la fracción de pares electrón-hueco que generan por los fotones.

El último factor representa la fracción de fotones absorbidos por el material. Cada dispositivo debe tener una profundidad (d) lo suficientemente grande para maximizar este factor en el cual a es el coeficiente de absorción del material. La eficiencia cuántica depende de la longitud de onda y del coeficiente de absorción a.

Sensibilidad (responsividad): Factor directamente relacionado con la eficiencia cuántica. La sensibilidad o responsividad es un parámetro que hace alusión a corriente que circula por el detector. Es decir, la cantidad de electrones producidos según la cantidad de fotones recibidos.

Cuando hay una relación de la corriente eléctrica que fluye en el dispositivo con una potencia óptica incidente (P) resulta:

La responsividad es un factor que aumenta con la longitud de onda porque los detectores fotoeléctricos responden al flujo de fotones en vez de la potencia óptica. Es decir, al aumentar la longitud de onda la potencia óptica se distribuye entre los fotones producidos en el dispositivo. La responsividad puede degradarse si se aplica demasiada potencia óptica al dispositivo (saturación del detector), lo que limita el rango lineal dinámico del detector.

Tiempo de respuesta: Tiempo requerido para distribuir las cargas generadas por los fotones en la superficie del detector (tiempo transitorio de distribución), resistencia, capacitancia y circuitos electrónicos utilizados.

Transmisión y Recepción en la fibra óptica

Los sistemas de transmisión a base de fibra óptica, como cualquier sistema de comunicaciones utilizan enlaces de datos que funcionan de forma similar al diagrama posterior.

Cada enlace consta de un transmisor en un extremo de la fibra y de un receptor en el otro polo. La mayoría de los sistemas operan transmitiendo en una dirección a través de una fibra y en la dirección opuesta usan otra fibra para así tener una transmisión bidireccional. Es posible transmitir en ambas direcciones a través de una sola fibra pero se necesitan acopladores para hacerlo. Una red FTTH óptica pasiva (PON) es el único sistema que utiliza transmisión bidireccional sobre una sola fibra porque en su arquitectura de red utiliza acopladores como base.

La mayoría de los sistemas utilizan "transceivers" que incluye un transmisor y un receptor en un sólo módulo.

El transmisor toma un impulso eléctrico y lo convierte en una salida óptica a partir de un diodo láser o LED. La luz del transmisor se acopla a la fibra con un conector y se transmite a través de la red de cables de fibra óptica. Al final la luz se acopla al receptor, donde un detector la convierte en una señal eléctrica que luego se acondiciona de tal forma que pueda usarse en el equipo receptor.

La transmisión de datos por fibra óptica puede ser analógica o digital, aunque es mayormente digital. Tanto las transmisiones analógicas como las digitales tienen algunos parámetros comunes y diferencias importantes. Para ambos tipos de transmisión, el margen de pérdida óptica o potencia óptica es lo más importante. Las transmisiones de datos analógicas se prueban mediante la medición de la relación señal-ruido para determinar el margen de enlace, mientras que las transmisiones digitales utilizan la tasa de bits erróneos para medir el rendimiento. Ambas

transmisiones deben probarse sobre todo el ancho de banda especificado para la operación.

Fuentes para transmisores ópticos

Las fuentes utilizadas para transmisores ópticos deben cumplir varios criterios: operar en la longitud de onda adecuada, ser pasibles de modularse lo suficientemente rápido para transmitir datos y poder acoplarse de forma eficiente a la fibra.

Comúnmente se utilizan fuentes LED y láser. Ambos convierten las señales eléctricas en señales ópticas, pero son diferentes entre sí.

Los LED tienen una potencia mucho menor que los láser y su patrón divergente y amplio de salida en la luz haciendo más difícil que se acoplen a las fibras, por lo que se emplean con fibras multimodo. Los láseres tienen un patrón de salida de la luz menor y más estrecho, por lo que se acoplan fácilmente a fibras monomodo, lo que los hace ideales para transmisiones de alta velocidad en larga distancia. Los LED tienen un ancho de banda menor que el láser y su uso se limita a sistemas que operan a 250 MHz o 200 Mb/s aproximadamente; por otro lado, los láser tienen una capacidad de ancho banda elevada y son útiles en 10 GHz o 10 Gb/s.

Debido al método de fabricación, el LED es mucho más económico. Los láseres son más costosos porque se necesita crear la cavidad láser dentro del dispositivo y probar su correcto funcionamiento cuando el chip esté separado de la pastilla del material semiconductor y tenga cada extremo revestido.

Otra gran diferencia entre LED y láser es el espectro de emisión. Los LED tienen un espectro de emisión muy ancho, lo que provoca dispersión cromática en la fibra, mientras que los láser tienen un espectro de emisión angosto que causa muy poca dispersión cromática.

La electrónica de un transmisor es simple: convierten un pulso de entrada (voltaje) en un pulso de corriente preciso para dirigir la fuente de luz. Generalmente,

los láser se polarizan con una corriente continua baja y se modulan por encima de tal polarización corriente para maximizar la velocidad.

Detectores para receptores ópticos

Los receptores utilizan detectores semiconductores (fotodiodos o fotodetectores) para convertir las señales ópticas en señales eléctricas. Los fotodiodos de silicio se usan para enlaces de longitud de onda corta (650 nm para fibra óptica de plástico y 850 nm para fibra multimodo de vidrio). Para los sistemas de longitud de onda larga se utilizan detectores de InGaAs (arseniuro de galio-indio) o de germanio.

Los sistemas de muy alta velocidad a veces utilizan fotodiodos de avalancha (APD) en lugar de fotodiodos, pero estos dispositivos son más costosos y complicados de emplear.

Repetidores ópticos

A pesar de que la fibra óptica tiene baja pérdida, lo que permite que la señal viaje cientos de kilómetros, se necesitan regeneradores o repetidores para amplificar la señal periódicamente. Estos repetidores convierten la señal de entrada óptica en una señal eléctrica, la limpian para eliminar todo el ruido posible y luego otro transmisor láser la retransmite.

Multiplexación por división de longitud de onda

Como la luz de diferentes longitudes de onda no se mezcla en la fibra, es posible transmitir simultáneamente señales en diferentes longitudes de onda a través de una sola fibra. La fibra es económica, pero instalar nuevos cables es costoso, por lo que rentable utilizar fibras ya instaladas para transmitir más señales.

La multiplexación WDM (wavelength division multiplexing) consiste en transmitir por una misma fibra varias señales, cada una en una longitud de onda diferente y con misma tasa binaria sin interferir entre sí.

Sistema WDM

La multiplexación por división de longitud de onda (WDM) se utilizó por primera vez con fibra multimodo, tanto 850 nm como 1310 nm. Actualmente, las redes de fibra monomodo transportan señales a 10Gb/s en 64 o más longitudes de onda, proceso conocido como multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM).

En un sistema WDM, los transmisores están constituidos con láser monomodos (SLM) con modulación externa para reducir el chirp (subida y bajada frecuencial con el tiempo). Las señales de cada canal se combinan mediante un multiplexor WDM antes de ser introducidas en la fibra óptica. A lo largo del enlace se emplean amplificadores ópticos EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifiers) para contrarrestar la atenuación.

En el dispositivo receptor los canales son separados mediante un demultiplexor WDM y conducidos a un receptor. Además, se puede extraer un canal específico en un punto intermedio del trayecto mediante multiplexadores ópticos de inserción/extracción (OADM, Optical Add-Drop Multiplexer). Dentro de los sistemas WDM existen dos tipos:

SWDM (WDM simple): Es un sistema en donde las longitudes de onda de las portadoras son ampliamente distanciadas entre sí. Por ejemplo, emplean una portadora a 1550 nm y otra a 1310nm.

DWDM (WDM denso): En estos sistemas el espaciado entre las longitudes de onda de los canales es reducido, dando lugar a una gran densidad de canales. Estos sistemas consiguen la máxima eficiencia en el uso de la fibra.

Conclusión

Las comunicaciones ópticas, como es de conocer anteriormente, comprenden: el transmisor, medio o canal y el receptor. Cada una de estas etapas requieren un trabajo conjunto y coordinado durante el intercambio informativo, ya que sí presentan alteradas características no es posible una comunicación eficiente. A eso se refiere el uso de materiales como semiconductores dentro de los circuitos de emisión y detección óptica.

Para el área receptora también se emplean diodos semiconductores al igual que en los transmisores, pero en este caso se implementan los diodos PIN y los diodos de avalancha (APD) los cuales convierten la luz en cambios de intensidad; a diferencia del sector transmisor, se emplean previo a circuitos conversores corriente-voltaje.

Una ligera variante de los semiconductores mencionados, de la categoría de diodos especiales, son los diodos IR que se encuentran en cualquier artefacto a control remoto: televisores, aires acondicionados, equipos de sonido, reproductores DVD y otros equipos de mando a corta distancia.

En resumen diodos LED, ILD, PIN y APD así como los diodos IR no solo se aplican al área de las comunicaciones sino a otros campos y artefactos presentes en la vida cotidiana; aunque el mayor crédito se lo llevan los diodos LED por ser la tecnología más imperante en la actualidad.

En lo que respecta a la técnica de multiplexación empleada, las más usadas son por longitud de onda WDM y DWDM; las cuales permiten mezclar distintas longitudes ondulares luminosas en un solo medio, cosa que por otras técnicas resulta un proceso más complejo. Dicho proceso permite ahorrar en implementado de fibra al no emplear más de lo necesario.

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