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Transductores (Fotodetectores-LED-Laser)

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Marcos Pouso

on 15 November 2014

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Transductores
(Fotodetectores-LED-Láser)

Alumnos: Leonardo Chiazzo - Marcos Pouso
Curso FO-2014

Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir energía de entrada, en otra diferente a la salida, por ejemplo un parlante, un microfono.

Los transductores siempre consumen cierta cantidad de energía por lo que la señal medida resulta atenuada.
Transductor
El transductor fotoeléctrico es un tipo de transductor que transforma luz en energía eléctrica o viceversa.

En comunicaciones de FO el emisor seria el diodo LED o Láser y como receptor tenemos los fotoreceptores tipo PIN o APD.
Transductor fotoeléctrico
Diodos Emisor de Luz (LED)
Uno de los componentes clave en las comunicaciones ópticas es la fuente de luz monocromática.

En comunicaciones ópticas, las fuentes de luz deben ser compactas, monocromáticas, estables y de larga duración, es decir que tengan una vida útil considerable.

En la práctica no hay fuentes de luz monocromáticas; hay sólo fuentes que emiten luz dentro de una banda estrecha de longitudes de onda.

La estabilidad de una fuente de luz implica un nivel de corriente constante (sobre las variaciones de tiempo y temperatura) y una longitud de onda constante.
La luz
Se llama luz a la radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano.

La luz se fabrica en el interior de los átomos, en un proceso llamado "emisión cuántica", consiste en el movimiento de transición de un electrón de un orbital fundamental o de menor energía a otro más externo o de mayor energía.

Cuando un electrón recibe energía calórica, salta a un nivel superior y cuando deja de recibir energía, el electrón emite una energía equivalente en forma de fotones, cuantos o paquetes de luz.

Los fotones no tienen masa y se mueven a una velocidad cercana a 300.000 Km/s.

Introducción
Si se pasa una corriente a través del diodo semiconductor, se inyectan electrones y huecos en las regiones P y N, respectivamente.

Dependiendo de la magnitud de la corriente, hay recombinación de los portadores de carga (electrones y huecos). Hay un tipo de recombinaciones que se llaman radiantes (aquí la emisión de luz).

Las recombinaciones radiantes y el total de recombinaciones depende del material semiconductor utilizado
GaAs
: Arsenuro de Galio
AlGaAs
: Arsenuro de Galio-Aluminio.

Dependiendo del material de que está hecho el LED, será la emisión de la longitud de onda y por ende el color.
Tabla de composiciones
Funcionamiento del LED
Un diodo LED, es la unión de dos metales semi-conductores, uno dopado positivamente y el otro de forma negativa. Las distintas aleaciones de las que se componen estas patillas semi-conductoras.

Polarizado de forma correcta, se produce una corriente en el diodo que da lugar a que los electrones de la patilla dopada negativamente, pasen a ocupar los huecos de la patilla dopada positivamente, cambiando para ello su nivel de energía, pasando del nivel de conducción al de valencia.

Este cambio provoca una pérdida de energía en ellos, que se manifiesta, en el caso de los diodos LED, en la emision de particulas luminosas, "FOTONES", que producirán luz en una determinada longitud de onda, dependiendo de la amalgama de metales usados para su construcción.
Partes del LED
Diodo LASER
La palabra LASER proviene de las siglas en inglés:
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - Amplificación de luz por Emisión estimulada de radiación.

Cuando la luz característica emitida por electrones cuando pasan de un estado de alta energía a un estado de menor energía, estimulan a otros electrones para crear "saltos" similares.

El resultado es una luz sincronizada que sale del material.

Otra característica importante es que la luz emitida no sólo tiene la misma frecuencia (color), sino también la misma fase. (también está sincronizada).

Este es el motivo por el cual luz láser se mantiene enfocada aún a grandes distancias.

En el caso de una fuente de luz láser todos los rayos son del mismo color (monocromáticos) o lo que es lo mismo, tienen la misma frecuencia y están en fase.
Funcionamiento del LASER
El LED láser es un dispositivo semiconductor similar a los diodos LED pero que bajo las condiciones adecuadas emite luz láser. A veces se los denomina diodos láser de inyección, o por sus siglas inglesas LD o ILD.

Cuando un diodo convencional o LED se polariza en directa, los huecos de la zona p se mueven hacia la zona n y los electrones de la zona n hacia la zona p; ambos desplazamientos de cargas constituyen la corriente que circula por el diodo.

Si los electrones y huecos están en la misma región, pueden recombinarse cayendo el electrón al hueco y emitiendo un fotón con la energía correspondiente a la banda prohibida.

Posee una anchura de línea de emision de unos 2nm comparado con los 50nm de un LED comun.

La luz de este tipo de láser puede acoplarse fácilmente a una fibra multimodo o monomodo.
Ventajas

- Debido a su patrón de radiación de luz, el cual es más directo que el patrón que presentan los LED´s, es más sencillo acoplar la luz dentro de la fibra óptica. Esto reduce las pérdidas por acoplamiento y permite utilizar fibras de diámetro menor.

- La potencia radiada que entrega el láser es típicamente de 5mW, mientras que el LED entrega una potencia de 0.5mW en promedio. Esto hace que el láser sea preferido en sistemas de comunicación de larga distancia.

- El láser permite una mayor tasa de transmisión de bits.

- El láser genera luz monocromática, lo que reduce la dispersión por longitud de onda en la fibra óptica.


Desventajas

- El láser es 10 veces más caro que el LED.

- Por su cualidad de operar a alta potencia, su duración de vida es mucha más corta que la del LED.

- La operación del láser es más dependiente de la temperatura que la del LED.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS DIODOS LÁSER.
- El ancho de banda del LED depende del material del componente.

- La amplitud del LED depende de la densidad de la corriente.

- El funcionamiento del LED está ligado a la temperatura.

- Los LED´s son componentes de relativa lentitud (<1 Gb/s).

- Los LED´s poseen un rango espectral ancho.

- Los LED´s son baratos.

- Los LED´s transmiten luz en un cono relativamente amplio.

- Los LED´s son fuentes convenientes para comunicaciones por fibras ópticas multimodo.

CARACTERÍSTICAS DE LOS LED.
Partes de un LASER
Fotodetectores - Introducción
Son los encargados de transformar las señales luminosas en señales eléctricas.

En los sistemas de transmisión digital el receptor debe producir una secuencia de pulsos (unos y ceros) que contienen la información del mensaje transmitido.

Estos fotodetectores son diodos semiconductores que operan polarizados inversamente.

Durante la absorción de la luz, cuando un fotodetector es iluminado, las partículas de energía luminosa, también llamadas fotones, son absorbidas generando pares electrón - hueco, que en presencia de un campo eléctrico producen una corriente eléctrica.
Tipos de Fotodetectores
Los principales tipos de receptores son:

• Fotodetectores PIN.
• Fotodetectores de avalancha APD.

Composición de los Fotodectectores
Son de silicio se utilizan como receptores ópticos en las longitudes de onda entre 0,8 y 1 um.

Para aumentar la sensibilidad del PIN se utilizan fotodiodos PIN con preamplificador FET que poseen un ancho de banda amplio, pudiendo ser utilizados para diferentes longitudes de onda y diferentes tipos de fibras ópticas.

Los fotodiodos APD pueden elegirse entre diferentes modelos y tipos, como:

• APD de silicio (longitudes de onda de hasta 1100 nm).
• APD de InGaAs/InP (longitudes de onda para 1300 nm).
• APD de germanio (para 1300 nm).
• APD de InGaAs/InP con GaAs-FET (para 1300 nm).

Como regla general puede decirse que los receptores APD deben ser utilizados para enlaces largos y los PIN-FET para enlaces medios.
El fotodiodo PIN es el detector más utilizado en los sistemas de comunicación óptica.

Es relativamente fácil de fabricar, altamente fiable, tiene bajo ruido y es compatible con circuitos amplificadores de tensión.

Además es sensible a un gran ancho de banda debido a que no tiene mecanismo de ganancia.

El diodo PIN se compone básicamente de unas zonas p y n altamente conductoras junto a una zona intrínseca poco conductiva. Los fotones entran en la zona intrínseca generando pares electrón-hueco.

El diodo se polariza inversamente para acelerar las cargas presentes en la zona intrínseca, que se dirigen a los electrodos donde aparece como corriente. El proceso es rápido y eficiente.

Como no hay mecanismo de ganancia, la máxima eficiencia es la unidad y el producto ganancia por ancho de banda coincide con esta última.

FOTOFIODO PIN
Partes
Los APD también son diodos polarizados en inversa, pero en este caso las tensiones inversas son elevadas, originando un fuerte campo eléctrico que acelera los portadores generados, de manera que estos colisionar con otros átomos del semiconductor y generan pares electrón-hueco.

Esta ionización por impacto determina la ganancia de avalancha.

La ganancia de un APD tiene influencia sobre el ancho de banda. El máximo ancho de banda se da para ganancia 1.

Con ganancias más elevadas, el ancho de banda se reduce debido al tiempo necesario para que se forme la fotoavalancha.

Fotodiodo De Avalancha APD
Este diodo está conformado por una capa intrínseca, casi pura, de material semiconductor, introducida entre la unión de dos capas de materiales semiconductores tipo n y p.

Entre los diodos APD y PIN, este último es el más utilizado como detector de luz en los sistemas de comunicaciones por fibra óptica.
FOTOFIODO PIN
Estructura
Fotodiodo De Avalancha APD
Estructura
Este diodo está conformado por una capa intrínseca, casi pura, de material semiconductor, introducida entre la unión de dos capas de materiales semiconductores tipo n y p.
Aspectos físicos
Combinación Emisor-Receptor según Longitud de Onda
Cuando un fotón de alta energía choca con un electrón, ambas partículas pueden ser desviadas formando un ángulo con la trayectoria de la radiación incidente de rayos X.

El fotón incidente cede parte de su energía al electrón y sale del material con una longitud de onda más corta. Estas desviaciones acompañadas por un cambio en la longitud de onda se conocen como dispersión Compton.
Efecto Compton
Video explicativo
Video explicativo
Diagrama de bloques de un receptor óptico básico en un sitema digital.
El receptor consta de:
LED o Laser emisor
Fotodetector, elemento encargado de generar una corriente eléctrica proporcional a partir de una potencia óptica.
Pre-amplificador, que amplifica la señal eléctrica
Filtro, que decide cuando se está recibiendo un "1" o un "0".

Los fotodetectores más útiles son los basados en semiconductores. Los fotodiodos más adecuados ya que con ellos es más sencillo lograr tener fotodetectores con una sensibilidad alta, una rápida respuesta, introducen poco ruido, tienen un bajo costo y una alta fiabilidad. Los más comunes son los fotodiodos p-i-n y los fotodiodos de avalancha.
Caracteristicas importantes de PIN
Parametros importantes en el PIN
Responsividad
: este parámetro, cuyas unidades son A/W, representa la capacidad del fotodiodo de generar pares electrón-hueco por la incidencia de una señal óptica.

Ancho de banda
: El ancho de banda de un fotodiodo determina la velocidad con que responde éste ante las variaciones de la potencia óptica incidente.

Tiempo de subida del fotodetector
: intervalo de tiempo desde la llega de un pulso de luz al fotodiodo y la aparición de la corriente se debe al tiempo que tardan los electrones y huecos generados por la absorción de los fotones en salir del fotodiodo al circuito.

Corriente de oscuridad:
Esta corriente se genera en ausencia de una señal óptica, tiene su origen en los pares electrón-hueco generados térmicamente.Un buen fotodiodo debe ser despreciable, menor de 10nA.
Caracteristicas importantes
Funcionamiento del fotodiodo APD
Los fotodiodos de avalancha (Avalanche Photodiodes, APDs) se emplean cuando la potencia recibida puede ser limitada, ya que tienen una responsividad mayor que los fotodiodos p-i-n.

Esto se debe a que todos los fotodiodos requieren una corriente mínima para su correcto funcionamiento, es decir, requieren una potencia óptica mínima. Por ello son preferibles los fotodiodos con una responsividad alta, pues requieren una menor potencia óptica para su buen funcionamiento.

Los APD se basan en el fenómeno de la ionización por impacto . Un electrón (al igual que un hueco) generado por la absorción de un fotón con la suficiente energía cinética, puede generar nuevos pares electrón-hueco al dar parte de su energía a otro electrón de forma que éste pase de la banda de valencia a la banda de conducción.

Luego la corriente generada por la absorción de los fotones incidentes, se ve incrementada por un factor determinado.
Funcionamiento del fotodiodo APD. cont.
Los fotodiodos de avalancha al multiplicar la fotocorriente generada en la unión pn consiguen un aumento de la sensibilidad con respecto a los fotodiodos p-i-n.

El diseño de los APD difiere principalmente en un aspecto de los fotodiodos p-i-n. Se añade una capa adicional, donde se generan los pares electrón-hueco por el fenómeno de la ionización por impacto. Por ello esta capa, denominada capa de multiplicación.

En este diseño la capa de deplexión alcanza el contacto a través de las zonas de absorción y multiplicación.

El empleo de una capa adicional de InP solventa este problema ya que un campo eléctrico intenso puede existir en esta capa sin perforarla. Esta estructura se denomina SAM, separate absortion multiplication .

El problema de esta estructura es su lenta respuesta y su pequeño ancho de banda debido a la gran diferencia entre la energía del gap de InP y del InGaAs que dificulta la circulación de los electrones y huecos.

Esto se soluciona empleando otra capa entre las capas de absorción y multiplicación, de forma que su energía del gap tenga un valor intermedio al del InGaAs y el InP.
Tipos de formatos APD
Estructuras de APD´s de InGaAs que evitan su perforamiento; en la izquierda estructura SAM (Separate Absortion Multiplication) ; en la derecha SAGM APD (Separate Absortion Grading and Multiplication)
• Los APD son más sensibles que los diodos PIN y requieren de menos amplificación adicional. Las desventajas de los APD son los tiempos de transición, relativamente largos y ruido adicional internamente generado, debido al factor de la multiplicación de avalancha.

• Los receptores PIN y APD según el material que se use varía las características de los mismos dando como resultado diferentes tipos de longitudes de onda.

• Los receptores PIN y APD también sirve para demostrar en que ventana de trabajo de las longitudes de onda esta.

CONCLUSIÓN
Consiste en la emisión de electrones por parte de un material cuando se hace incidir sobre él una radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general).

A veces se incluyen en el término otros tipos de interacción entre la luz y la materia.
El efecto fotoeléctrico
Muchas Gracias.....
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