Detectores De Sitemas De Comunicacion Con Fibra Optica

Detectores de sistemas de comunicaciones con fibra óptica

En los sistemas de comunicaciones con fibra óptica, los receptores mas comúnmente usados utilizan fotodiodos como elementos detectores para convertir la luz recibida en una señal eléctrica.

De manera general un fotodetector ‘demodula’ una señal óptica al generar una corriente proporcional a la intensidad de la potencia óptica recibida, convirtiendo por lo tanto las variaciones de potencia óptica e una señal eléctrica.

Estos fotodiodos se clasifican en fotodiodos Positivo-Intrínseco-Negativo (PIN) y los fotodiodos de avalancha (APD).

Un fotodiodo PIN consiste de una gran región semiconductora Intrínseca (material semiconductor puro sin contaminantes) colocada entre dos regiones semiconductoras, una de tipo P y una de tipo N. Para que el diodo PIN funcione como detector debe de estar polarizado inversamente, tal como se muestra en la siguiente figura:

Los fotones absorbidos en la región intrínseca crean pares electrón-hueco los cuales son atraídos por las regiones N y P respectivamente (debido a la polarización inversa del diodo), generando así una corriente eléctrica (la cual es proporcional a la potencia óptica recibida) en el circuito externo al diodo PIN.

Es importante mencionar que no todas las longitudes de onda serán detectadas, ya que este proceso de detección se regula por la ley de Planck, de la cual se establece que para cada material semiconductor existe una longitud de onda de corte que debe excederse para que la señal óptica recibida pueda generar la corriente eléctrica:

Un parámetro fundamental en el diodo PIN es la eficiencia del proceso de conversión óptico-eléctrico la cual se denota por PIN . Este parámetro mide el número promedio de electrones liberados por cada fotón de luz incidente. Un valor cercano a la unidad indica un diodo altamente eficiente.

Por otro lado, la eficiencia del detector PIN se expresa generalmente por su RESPONSIVIDAD R, la cual se relaciona con la eficiencia de la siguiente forma:

Para diodos PIN el valor típico de R es inferior a 1 A/W.

Diodos de tipo Avalancha APD

Un diodo de avalancha se diseña para aplicaciones que requieren una mayor sensibilidad. El diodo APD tiene la misma estructura que un diodo PIN y la principal diferencia entre ellos es el voltaje de polarización, para el caso de los diodos APD la polarización inversa se incrementa, de forma tal que el campo eléctrico en la región intrínseca también aumenta.

Si el valor de este campo eléctrico es lo suficientemente grande (del orden de 105 volts/centimetro) un electrón que ha sido liberado por un fotón adquiere tal velocidad (debido a la gran polarización inversa) que puede chocar con suficiente energía con otro electrón ionizándolo y moviéndolo a la capa de conducción del semiconductor, creando por tanto un par electrón-hueco adicional al originalmente creado.

A su vez estos portadores adicionales pueden ganar suficiente energía del campo eléctrico para causar la generación de otros pares e-h, creándose así un efecto multiplicativo conocido como efecto de avalancha.

De todo esto resulta que un solo fotón de luz incidente puede crear M pares electrón-hueco y por lo tanto la responsividad del diodo APD se incrementa (con relación a la responsividad del diodo PIN) por el factor M:

Valores típicos de M están entre el rango de 100 a 150.

Finalmente, el tipo de semiconductor utilizado define la frecuencia de operación de los fotodiodos, por ejemplo un diodo construido con GaAs el cual tiene una energía prohibida de 1.43 eV a 300º Kelvin tendrá una longitud de onda de corte:

Resumiendo, existen dos tipos de diodos detectores usados en los sistemas de comunicaciones con Fibra óptica: los diodos tipo PIN y los diodos tipo APD.

Para enlaces de corta distancia en los cuales se requiere una sensibilidad relativamente baja se usan diodos PIN.

Para enlaces de larga distancia en los cuales se requiere una gran sensibilidad se usan diodos de tipo avalancha.

Parámetros fundamentales para el cálculo de un sistema de comunicaciones con fibra óptica.

Existen algunos datos técnicos (los cuales son proporcionados por los fabricantes de los sistemas transmisores y receptores, por los fabricantes de la fibra óptica y por las empresas que realizan la instalación de la fibra óptica) que deben ser considerados en el diseño de un sistema con fibra óptica, dentro de estos se pueden mencionar los siguientes:

Transmisor

Potencia transmitida por el transmisor

Este parámetro es fundamental ya que definirá el alcance del sistema de comunicaciones, normalmente los fabricantes lo definen como un valor promedio mas menos una tolerancia, en el calculo del sistema siempre debe considerarse el mínimo valor de potencia transmitida que garantiza el fabricante.

Longitud de onda de emisión

Define la longitud de onda que emitirá el transmisor y debe ser considerado para elegir la ventana de operación de la fibra óptica, así como para determinar la dispersión total sufrida por los pulsos ópticos.

Ancho espectral emitido

Define todo el intervalo de longitudes de onda que emite el transmisor, es decir, define lo que conocemos como el ancho espectral del pulso emitido y debe ser considerado junto con el parámetro anterior para el cálculo de la dispersión total.

Receptor

Siempre un sistema de comunicaciones esta definido como una pareja de transmisor y receptor que operan en la misma frecuencia o ventana de operación y para el caso del receptor los parámetros que deben ser obtenidos de las especificaciones técnicas de los fabricantes son las siguientes:

Máxima potencia de entrada

También conocido como nivel de potencia para saturación, define el máximo valor de potencia óptica permitido en la entrada del receptor para que este continúe operando sin errores, una potencia óptica que exceda este valor se reflejara

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