Detectores opticos

                                       Trabajo de Investigación

                                                 Detectores Ópticos

Objetivo

  Conocer y comparar el funcionamiento y las características de los principales dispositivos fotodetectores utilizados en sistemas de comunicaciones, mediante la investigación  de sus variables de trabajo, parámetros físicos y aplicación.

Introducción

  Un receptor óptico convierte la señal óptica proveniente de la fibra óptica en la señal eléctrica y recupera los datos transmitidos. Su elemento de entrada es el fotodetector, que convierte la luz  en corriente eléctrica por medio del efecto fotoeléctrico. Los  receptores ópticos, en general, deben tener alta sensibilidad,  respuesta rápida, bajos niveles de ruido,  bajo costo y una alta confiabilidad.

  En el caso de sistemas de fibra óptica. El área fotosensible del fotodetector  debe ser comparable con  el núcleo de una fibra. Los requisitos antes mencionados son satisfechos de una mejor manera por  detectores fabricados con base en materiales semiconductores

  El interés en los dispositivos sensibles a la luz ha ido en aumento a un ritmo exponencial inusitado en años recientes. El nuevo campo de la optoelectrónica ha despertado un gran interés y ha sido objeto de mucha investigación y se están haciendo esfuerzos para mejorar sus niveles de eficiencia. Las fuentes luminosas constituyen una fuente única de energía.

Marco Teórico

  La energía transmitida (W) como paquetes individuales llamados fotones, tiene un nivel directamente relacionado con la frecuencia (f) de la onda luminosa viajera determinado por la siguiente ecuación:

W = hf       Joules

Donde h es la llamada constante de Planck y es igual a 6.624 x  joules por segundo.   [pic 1]

  Claramente establece que, como es una constante, la energía asociada con una onda de luz incidente está en relación directa con la frecuencia de ésta. La frecuencia, a su vez, está relacionada directamente con la longitud de onda (λ).

  La longitud de onda es importante porque determina el material que se tiene que utilizar en el dispositivo optoelectrónico. Las respuestas espectrales relativas del germanio, silicio y selenio se dan en la figura 1. Se incluye el espectro de luz visible junto con una indicación de la longitud de onda asociada con los diversos colores.

  El número de electrones libres generados en cada material es proporcional a la intensidad de la luz incidente. La intensidad luminosa mide la cantidad de flujo luminoso que incide en un área de superficie particular. Por lo común, el flujo luminoso se mide en lúmenes (lm) o watts. Las dos unidades están relacionadas por:

1 lm = 1.496  watts[pic 2]

La intensidad luminosa se suele medir en lm/, candelas- pie (fc), o , donde [pic 3][pic 4]

1 lm/ = 1 fc = 1.609  [pic 5][pic 6][pic 7]

  El  proceso  fundamental  detrás  de  la  fotodetección es  la  absorción óptica.  Para  tales efectos,  participan  conceptos  básicos  tales  como  la  responsividad  de  un detector,  su  eficiencia cuántica y ancho  de banda, los cuales son parámetros comunes  en todos los fotodetectores.

[pic 8]

Fig. 1 Respuestas espectrales relativas para silicio, germanio y selenio, compradas con las del ojo humano.

*Responsividad

  Si se considera la estructura de un material semiconductor como la mostrada en la figura 2 y si la energía hf de los fotones incidentes excede la energía de la banda prohibida del  material,  se  generará  un par electrón –hueco  cada  vez  que un fotón sea  absorbido por el  semiconductor.

  Bajo la  influencia  de  un campo eléctrico establecido en el material a causa de la aplicación de una diferencia de potencial en él, los electrones y  huecos pueden  ser  barridos a  través  del  semiconductor, resultando una corriente eléctrica  denominada  fotocorriente   ,  la  cual  es  directamente  proporcional  a  la potencia óptica incidente [pic 9][pic 10]

[pic 11]

Donde R es la responsividad del fotodetector, en unidades de A/W

[pic 12]

Fig. 2 Estructura semiconductora del fotoconductor

*Tiempo de subida y ancho de banda

  El ancho de banda de un fotodetector está determinado por la velocidad con la cual éste responde a las variaciones de la potencia óptica incidente. El tiempo de subida (Tr) se define como el lapso que la corriente tarda para pasar del 10 al 90% de su valor final cuando la potencia óptica incidente cambia abruptamente en forma de escalón.             Evidentemente, Tr dependerá del tiempo que le tome a los electrones y los huecos viajar a los contactos electrónicos. También depende del tiempo de respuesta del circuito eléctrico utilizado para procesar la fotocorriente.

*Corriente de obscuridad

Otro parámetro importante en un fotodetector es la corriente de obscuridad, Id, la cual es generada en el fotodetector en ausencia de señal óptica alguna, y se origina debido a la luz extraviada o a pares electrón–hueco generados térmicamente. Para que un fotodetector pueda considerarse bueno, su corriente de obscuridad debe ser despreciable (menor a 10 nA).

*El fotodiodo

  El fotodiodo es un dispositivo de unión p-n semiconductor cuya región de operación se limita a la región de polarización en inversa. La configuración de polarización básica, la construcción y el símbolo del dispositivo aparecen en la figura 3.

[pic 13]

Fig. 3 Fotodiodo a) configuración de polarización y construcción básica; b) símbolo

  Por lo común la corriente de saturación en inversa está limitada a algunos microamperios. Esto se debe sólo a los portadores minoritarios térmicamente generados en los materiales tipo n y p. La aplicación de luz a la unión hace que se transfiera energía de las ondas luminosas viajeras incidentes (en forma de fotones) a la estructura atómica, y el resultado es una cantidad incrementada de portadores minoritarios y un nivel incrementado de corriente en inversa. Esto se muestra con claridad en la figura 4 a diferentes niveles de intensidad.

  La corriente oscura es la que se dará sin iluminación aplicada. Observe que la corriente sólo regresará a cero con una polarización aplicada positiva igual a VT. Además, la figura 3 demuestra el uso de una lente para concentrar la luz en la región de la unión. En la figura 6 se muestran algunos diodos comerciales.

[pic 14]

Fig. 4 Curvas características del fotodiodo

  La separación casi igual entre las curvas con el mismo incremento del flujo luminoso revela que la corriente en inversa y el flujo luminoso están casi linealmente relacionados.        

En otras palabras, un aumento en la intensidad luminosa producirá un incremento similar de la corriente en inversa. En la figura 4 aparece una gráfica de los dos para demostrar esta relación lineal para un voltaje fijo  de 20 V. Con una base relativa, podemos suponer que la corriente en inversa es en esencia cero sin luz incidente. Como los tiempos de levantamiento y caída (parámetros de cambio de estado) son muy pequeños para este dispositivo (en el intervalo de nanosegundos), puede utilizarse el dispositivo en aplicaciones de conteo o conmutación de alta velocidad.         Volviendo a la figura 1, observamos que el Ge abarca un espectro más amplio de longitudes de onda que el Si.       [pic 15]

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