Com Opticas_1 v2012.pdf

Comunicaciones Ópticas
(IEE431)
9/4/2012 René Játiva Espinoza

Comunicaciones Ópticas
Bloque 1: Tecnologías de
Comunicaciones Ópticas
9/4/2012 René Játiva Espinoza

Bloque 1: Tecnologías de las
Comunicaciones Ópticas
• 1.1: Fundamentos de las
Comunicaciones Ópticas
• 1.2: Fuentes y Detectores Ópticos
• 1.3: Componentes Pasivos para Redes
de Fibras Ópticas
• 1.4: Amplificadores Ópticos
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Comunicaciones Ópticas
• Bloque 1: Tecnologías de
Comunicaciones Ópticas
–1.1 Fundamentos de las
Comunicaciones Ópticas
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Introducción: Notas Históricas
• [1880]: A. G. Bell inventa el fotófono, un dispositivo
capaz de transmitir la voz humana a una distancia de
200m en el espacio libre. Este dispositivo utilizaba un
conjunto de espejos especialmente montados que
reflejaban luz solar sobre un diafragma ubicado en la
bocina del fotófono, mientras que un resistor de
selenio sensible a la luz se ubicaba dentro de un
reflector parabólico. El receptor se energizaba con una
batería y la variación de corriente producida por la
variación en la intensidad luminosa reproducía el
audio en el auricular.
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Introducción: Notas Históricas
• [1910]: Hondros y Debie realizan el primer análisis
teórico completo sobre la propagación electromagnética
en un medio dieléctrico cilíndrico. Atenuación en
el vidrio en el orden de varios miles de dB/km.
• [1950’s]: Desarrollo de la fibroscopía.
• [1960]: Desarrollo del primer láser.
• [1966]: Publicación de Kao y Hockan, en que se
sugieren las fibras ópticas como soporte de
transmisión siempre y cuando presenten atenuaciones
tan bajas como 20dB/km.
• [1970]: La empresa Corning presenta una fibra de
silicio dopado con pérdidas de 20 dB/km. (Drs. Robert
Maurer, Donald Keck, and Peter Schultz)
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Atenuación y Ventanas de Operación
1º V: 850 nm
2º V: 1310 nm
3º V: 1550 nm
4º V: 1625 nm
Zero-waterpeak-
fiber
(ZWPF) en
1380 nm.
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Introducción: Notas Históricas
• [1970-71]: Invención del láser de inyección y diodo
LED, de AlGaAs, operando en modo continuo a
temperatura ambiente.
• [1973]: Corning presenta fibras con atenuaciones de 4
dB/km (=0,8 - 0,85 m) fabricadas por el método
“Outside Vapor Deposition”.
• [1974]: Corning presenta fibras con atenuaciones de
2dB/km (=1,06 m) con fibras de SiO 2 dopadas con
germanio y descubrimiento del método “Modified
Chemical Vapor Deposition”
• [1975]: Identificación de un mínimo de dispersión
sobre 1,3 m en fibras de SiO 2 .
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Introducción: Notas Históricas
• [1976]: Desarrollo de empalmes de fibra mediante
fusión por arco eléctrico.
• Desarrollo de láseres para altas longitudes de onda,
basados en InGaAsP/InP, capaces de operar de modo
continuo a temperatura ambiente.
• La NTT desarrolla fibras de SiO 2 – GeO 2 con 0,5
dB/km a 1,3 y 1,55 m.
• [1977]: Desarrollo de diodos LED de InGaAsP/InP, y
diodos PIN de InGaAs.
• Descubrimiento del método de fabricación de fibras
denominado “Vapor Axial Deposition”.
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Introducción: Notas Históricas
• [1977-78]: Desarrollo del fotodiodo de avalancha de
InGaAs.
• [1979]: Desarrollo de fibras monomodo con atenuación
de 0,2 dB/km (=1,55 m)
• [1990]: Los Laboratorios Bell transmiten una señal de
2,5Gbps a una distancia de 7,5 km sin regeneración.
• [1998]: Los Laboratorios Bell realizan una transmisión
experimental de 100 señales ópticas simultáneas a una
distancia de 400 km, utilizando una técnica de
multiplexación densa por longitud de onda (DWDM),
alcanzando una capacidad total de 1Tbps.
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¿Qué son las Fibras Ópticas?
• Son fibras de vidrio de alrededor de 120
micrómetros de diámetro y que se utilizan para el
transporte de señales en forma de pulsos de luz e
distancias aproximadas de hasta 50 km sin la
necesidad de la utilización de repetidores.
• Actualmente se trabaja también en el desarrollo de
una cuarta ventana alrededor de 1625 nm para su
aplicación en la transmisión de múltiples señales a
larga distancia.
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Ventajas de las Comunicaciones
por Fibra Óptica
• Anchura de Banda: transmisión a 10 14 bps.
• Bajas Pérdidas: alrededor de 0,1 dB/km.
• Inmunidad a Interferencias Electromagnéticas.
• Tamaño, flexibilidad
• Factores ambientales y materia prima: alta
estabilidad respecto de la temperatura (-60ºC –
80ºC). Las fibras de SiO 2 son menos sensibles a
emisiones radioactivas.
• Aislamiento eléctrico: puede atravesar zonas con
fuertes inducciones sin peligro de descarga eléctrica.
• Seguridad: la señal no puede captarse externamente
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Desventajas del uso de Fibras
Ópticas
• Precios: Los precios de las fibras por metro son
bastante más altos que el cobre. Sin embargo las
fibras ópticas pueden transportar muchas más
señales que los cables de cobre, a mayor distancia
sin la necesidad de repetidores.
• Habilidades Especiales: Las fibras requieren de
personal especializado para ser empalmadas,
además de dispositivos costosos y de medición de
alta precisión.
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Áreas de Aplicación
• Telecomunicaciones: Las fibras ópticas enlazan
subestaciones telefónicas
• Redes de Área Local: Se las utiliza para conformar el
backbone, pero también pueden llegar hasta el
escritorio (FTTD)
• Televisión por Cable:
• Circuito Cerrado de Televisión
• Sensores de Fibra Óptica: Actualmente se está
avanzando en el uso de fibras ópticas como sensores
en la medición de concentración de gases,
concentración de químicos, presión, temperatura, y
tasa de rotación.
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Experimento de John Tyndall
En 1870, se
realizó este
experimento
que mostraba
la posibilidad
de guiar la luz
utilizando el
principio de
reflexión
interna.
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Propagación a través de Fibras
Ópticas
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Propagación de la luz en fibras
ópticas: tipos de fibras
• Ecuaciones de Maxwell: permiten la solución exacta de
un limitado número de casos. Son especialmente útiles
en el análisis de fibras monomodo.
• Métodos de Aproximación: formulación más sencilla
para casos en los cuales:
– la variación del perfil de índice es despreciable para
distancias ópticas del orden de la longitud de onda
– El radio del núcleo es mucho mayor que la longitud
de onda.
• Ej: WKB (Wentzel, Kramers y Brillouin), matricial,
analítico, por desarrollo en serie de funciones, método
de perturbación.
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Propagación de la luz en fibras
ópticas: tipos de fibras
• Método de la óptica de rayos: proporciona tan sólo
una descripción parcial de la propagación de la luz,
ignora los fenómenos de interferencia que son los que
condicionan un cierto carácter discreto (modos) en la
propagación de la luz.
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¿Cuál es el método de análisis más
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adecuado?
• Cuando el espacio tiene dimensiones comparables con
la longitud de onda, los efectos de propagación deben
describirse recurriendo a las Ecuaciones de Maxwell y
a la teoría de campos electromagnéticos. Este es el
caso del estudio de fibras monomodo.
• Por otro lado, si el espacio por la que la onda
electromagnética se propaga es grande en relación
a la longitud de onda característica, los efectos de
propagación pueden describirse en forma muy
aproximada por una onda electromagnética plana.
De ahí que para el estudio de fibras multimodo se
prefiera el uso de una técnica geométrica.

¿Cuál es el método de análisis más
adecuado?
• Esta técnica geométrica o radial simplifica el
análisis y además permite comprender
intuitivamente cómo se reflejan y refractan los
rayos de luz en su avance a lo largo de la fibra.
• Las fibras ópticas también se conocen como guías
dieléctricas de ondas.
• Las barras dieléctricas en el rango de las
microondas se utilizan como antenas y no como
líneas, y su análisis es similar al de la fibra, pero
asumiendo que el revestimiento es el aire.
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Características generales de las fibras
ópticas
• La fibra presenta pérdidas comprendidas entre 0,20
dB/km a 3dB/km.
• La fibra es un medio eficaz para la transmisión a
frecuencias ópticas que corresponden al infrarrojo en
el espectro electromagnético. Esto es al rango entre
185 y 375 THz (800-1620 nm de longitud de onda).
• La luz visible se encuentra en el rango entre 430 y 750
THz (400-697 nm de longitud de onda).
• El material que se utiliza en la fabricación de la fibra
es un tipo de vidrio flexible transparente de alta
pureza, que se obtiene a partir de dióxido de Silicio
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Introducción
• dopado radialmente por materiales como el Germanio,
Pentaóxido de Fósforo o Boro para modificar su
índice de reflexión.
• El material con mayor índice de refracción se utiliza
para el núcleo, y el de menor índice para el
revestimiento. La permitividad del revestimiento es al
menos 0,01% menor que la del núcleo.
• Existen tres tipos de fibras ópticas: monomodo de
índice escalonado (10um/120um), multimodo de
índice escalonado (100um/150um) y multimodo de
índice gradual (70um/130um).
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Tipos de Fibras
a) Fibra
Monomodo
b) Fibra de Índice
en Escalón
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c) Fibra de Índice
Gradual: el
índice alcanza
su mayor valor
en el centro
(1,0 –1,5)

¿Por qué es necesario el
revestimiento?
a) La fibra sin revestimiento presenta fugas por
radiación. b) El revestimiento posibilita el guiado.
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Fibras de Vidrio Multimodo de Salto
de Índice
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Fibras de Vidrio Multimodo de
Índice Gradual
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Fibras Monomodo

Fibras Plásticas
Las pérdidas en fibras prácticas son elevadísimas lo
que las inutiliza para comunicaciones de larga
distancia.
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Fibra Óptica con reforzamiento plástico
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Las características
precisas de estas
coberturas dependen
de la aplicación de la
fibra. Su función es
de protección de
daño y deterioro
físico y ambiental.
Las roturas se producen a partir de micro-fracturas en
la superficie de la fibra.

Algunos tipos de fibras reforzadas:
Fibra para edificios
Fibra para debajo de
pisos
Fibras de alto
rendimiento
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Fibras para edificios en cables plenum
Se han diseñado
para retardar la
difusión del fuego
y producir poco
humo. Su alto costo
de fabricación se
compensa con su
bajo costo de
instalación.
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Fibras para exteriores
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Los cables para
exteriores en
general disponen
de revestimientos
adecuados
(polietileno) para
soportar
temperaturas
extremas y extensa
exposición a la luz
solar.

Sección de Cable submarino
Típico
Las características de la chaqueta se definen conforme a
la aplicación de las fibras.
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Cable submarino para el transporte de
fibras ópticas
Los cables submarinos
estás expuestos a
temperaturas muy bajas y
altísimas presiones. Es
necesario que sean
extremadamente
reforzados para proteger
las fibras y dar fiabilidad
a las comunicaciones.
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Fabricación de Fibras Ópticas: Deposición
de Vapor por el contorno exterior (OVD)
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Fabricación de Fibras Ópticas: Extrusión de
la Preforma
La preforma es
extrusada y
sometida a un
riguroso control de
calidad para la
fabricación de fibras
ópticas.
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Sistema de comunicación por
fibra óptica
Equipo terminal
Repetidor
Equipo terminal
LED o
Láser
PIN o LED o
c c APD Láser c c
PIN o
APD
Circuito de
Excitación
Señal
analógica
o digital
Amp./Reg.
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Circuito de
Excitación
Amp./Reg.
Señal

Fuentes Ópticas
• Convierten las señales eléctricas en señales ópticas
y actúan como transductores electroópticos en los
extremos de transmisión. Deben ser pequeñas y de
bajo consumo, y capaces de modularse a altas
velocidades y de buena estabilidad con la
temperatura, alta pureza espectral y de generar la
mayor potencia posible. Tenemos Láseres de
semiconductor y diodos electroluminiscentes
(LED) como los de emisión por superficie y los de
emisión por esquina.
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Acoplamiento Óptico

Detectores Ópticos
• En el extremo de recepción se utilizan
fotodiodos de forma que los fotones
absorbidos originan una fotocorriente en un
circuito exterior.
• La unión PN elemental se mejora con una
estructura PIN o haciendo uso del efecto
avalancha originando los fotodetectores PIN
y APD.
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Denominación de Bandas
Ópticas
Banda Denominación
Longitud de Onda
O
E
S
C
L
U
Original
Extendida
Corta
Convencional
Larga
Ultralarga
1260 – 1360 nm
1360 – 1460 nm
1460 – 1530 nm
1530 – 1570 nm
1580 – 1625 nm
1625 – 1675 nm
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Bibliografía
• Comunicaciones por Fibra Óptica – Manual de
Ingeniería, Raimundo Díaz de la Iglesia,
Marcombo-Boixareu Editores, España, 1985
• Understanding Fiber Optics, Jeff Hecht, SAMS
Publishing – Division of Prentice Hall
Computer Publisihing, U.S.A, 1996.
• www.fiber-optics.info/fiber-history.htm
• www.bell.ac.uk
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Comunicaciones Ópticas
• Bloque 1: Tecnologías de
Comunicaciones Ópticas
–1.2 Fuentes y Detectores Ópticos
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Fuentes y Detectores Ópticos
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Fuentes Ópticas: Diodos Emisores de
Luz (LED’s)
El dopaje del material origina
portadores libres que al
recombinarse emiten luz.
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Fuentes Ópticas: Diodos Emisores de
Luz (LED’s)
Los electrones libres se mueven a lo largo de la
estructura cristalina y se encuentran a un nivel de
energía superior que los electrones en la banda de
valencia.
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Fuentes Ópticas: Diodos Emisores de
Extremo (Edge Emitting Diode)
Los electrodos metálicos impiden que la luz escape y
la confinan a la juntura que se comporta como una
guía de onda dieléctrica, de forma que la luz se emite
hacia sus extremos.
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Fuentes Ópticas
• Con el fin de optimizar la entrega de potencia a una fibra
óptica y la transmisión de la señal a lo largo de ella, es
deseable que la fuente de luz cumpla dos requisitos
fundamentales: una anchura espectral angosta y una alta
coherencia espacial.
• La anchura espectral se define como la diferencia relativa
en nanometros entre los puntos donde la potencia emitida
se reduce al 50% con relación a la máxima. Este
parámetro se relacionará también con la dispersión
cromática.
• La coherencia espacial se relaciona con su patrón de
radiación.
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Anchura Espectral de Fuentes de Luz
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Fuentes de Luz
• Mientras más directivo sea el patrón de radiación, más
fácil será que la potencia emitida quede dentro del cono
de aceptación de la fibra.
• Hay dos tipos de fuentes y ambas funcionan con diodos
semiconductores. La primera es el “LED” (Diodo Emisor
de Luz) y la segunda es el “LD” (Diodo Láser, láser de
inyección o láser semiconductor).
• El LD tiene una anchura espectral mucho más angosta
que el LED por lo cual se dice que el LD es una fuente
con coherencia temporal o cuasi-monocromática,
mientras que el LED es una fuente no coherente.
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Fuentes de Luz: El Láser
Para 1,55 m la frecuencia será:
f=c/=3*10 8 /1,55*10 -6 =1,935*10 14 Hertz
Sin embargo, la portadora luminosa no es monocromática, es
decir el láser genera muchas frecuencias (y por lo tanto
muchas longitudes de ondas) cercanas.
P o
Tiempo
P o
Longitud de onda
t (seg)
3dB
Conclusión: El laser no puede ser modulado
fácilmente en frecuencia o en fase.
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(nm)

Fuentes de Luz
Comparación del
Espectro de un diodo
LED y un láser operando
en la ventana de 850nm.
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Fuentes de Luz
• La anchura espectral típica de un LED en primera ventana
(850 nm) es de alrededor de 35 nm, mientras que para un
LD es de alrededor de 1 nm.
• Se utilizan diversos materiales semiconductores según la
ventana de operación en la fabricación de estas fuentes
ópticas. Así por ejemplo se utiliza AlGaAs en primera
ventana, e InGaAsP en la segunda y tercera ventanas. Los
diodos LED se utilizan en primera y segunda ventanas,
mientras que los LD en segunda y tercera ventanas.
• El diodo láser amplifica la intensidad de luz por
emisiones estimuladas, de ahí su nombre (Light
Amplification by the Stimulates Emission of Radiation).
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Fuentes Ópticas: El Láser
Semiconductor
• Luz se emite cuando un electrón en un semiconductor
decae de un nivel de energía superior a otro inferior
liberando la energía extra. Cuando un fotón estimula a
que un electrón libere esta energía en forma de luz de
la misma longitud de onda, se produce un nuevo fotón
idéntico al original. Este proceso es precisamente el de
emisión estimulada.
• Sin embargo para la emisión láser se requiere que
existan más electrones en el nivel de energía superior
que en el inferior, fenómeno que se conoce como de
inversión de población.
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Fuentes Ópticas: El Láser
Semiconductor
• Sin embargo no es suficiente que el fenómeno se
produzca, se requiere asegurar que la luz emitida sea
coherente. Para conseguirlo es necesario utilizar un
resonador tal como una cavidad, que se encargue de
seleccionar únicamente la radiación coherente y
canalizarla como un haz a la salida del diodo láser
(LD).
• Todos los materiales usados en diodos láser pueden
usarse para confeccionar diodos LED. Lo contrario no
es siempre cierto.
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Fuentes Ópticas: El Láser
Semiconductor
Los materiales
usados en LD
son
semiconductor
es compuestos
fabricados
sobre sustratos
de GaAs o InP
Ga (1-x) Al x As sobre GaAs – 780 a 850nm; In 0,73 Ga 0.27 As 0.58 P 0.42
sobre InP – 1310 nm; In 0.58 Ga 0.42 As 0.9 P 0.1 sobre InP – 1550nm
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Fuentes Ópticas: El Láser
Semiconductor
• Esta cavidad resonante consiste de dos espejos planos
paralelos (cavidad Fabry-Pérot). El producto final de
múltiples rebotes y cambios de fase es la amplificación de
la luz.
• El dispositivo láser es multimodo, sin embargo al
incrementarse la corriente del diodo, el modo central se
amplifica más rápido que los laterales consiguiendo una
operación prácticamente mono-frecuencia a altas
corrientes.
• La coherencia espacial de los LD es mucho mayor que la
de los LED e alrededor de 5 órdenes de magnitud.
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Fuentes Ópticas: El Láser
Semiconductor
2D=Nλ
Emisiones en LD
se producen en
varios modos
longitudinales y
no únicamente en
una longitud de
onda, lo cual
puede ocasionar
problemas de
dispersión en la
fibra.
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Resonadores Láser
L=Separación física espejos
en la cavidad
Δλ=2Δn.L/N
La modulación directa sobre el
DL modifica la densidad de
electrones en el semiconductor,
el índice de refracción (n) y por
ende la longitud de onda durante la emisión del pulso.
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Fuentes de Luz: Chirp
• El chirp es un cambio abrupto en la longitud de onda central
de un láser, causado por inestabilidad del mismo. Durante la
modulación, una diferencia en el índice de refracción a la
salida del láser puede causar chirp en un sistema WDM. El
chirp es el fenómeno por el cual el flanco ascendente del
pulso tiene una pequeña diferencia en frecuencia respecto del
flanco descendente. El chirp puede definirse como el cambio
de frecuencia de la señal óptica transmitida con respecto al
tiempo. En lásers semiconductores, la frecuencia de un pulso
se desplaza hacia una frecuencia inferior a la original debido
al chirp. Efectos no lineales pueden también introducir chirp
en sistemas de comunicaciones ópticos. Este fenómeno
puede reducirse con el uso de moduladores externos. El chirp
usualmente ocurre con valores entre +1GHz.
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Fuentes Ópticas
• Otros factores importantes de comparación lo constituyen
la capacidad de modulación (mayor velocidad de
respuesta entonces mayor tasa de transmisión de datos) y
su eficiencia de conversión electroóptica (transformación
de niveles de voltaje a intensidades de luz). En ambos
casos el LD supera al LED.
• Sin embargo el LD tiene una vida útil más corta, es más
sensible a variaciones de temperatura y de precio mayor.
• El LED es suficiente en aplicaciones como enlaces cortos
y redes locales.
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Transmisores Ópticos
• La mayor parte de transmisores ópticos envían señales
ópticas usando modulación por intensidad, en la cual la
señal es proporcional a la intensidad de la luz envíada a
través de la fibra. Se implementa utilizando la señal para
controlar la corriente que se aplica a un diodo láser o un
modulador externo.
• Están en estudio esquemas de transmisión coherente
(transmisión heterodina) que utilicen dos lásers, uno en
transmisión y otro en recepción (oscilador local).
• También se encuentran en estudio la transmisión de
solitones (ciertos pulsos especialmente diseñados para
conseguir la cancelación de dos efectos: la dispersión del
pulso y la automodulación de fase)

Transmisores Ópticos
• El uso de solitones en forma conjunta con
amplificadores ópticos, posibilitaría la transmisión de
señales con altas tasas de transferencia de datos en
tramos muy largos de fibra. La transmisión se realizaría
simplemente a través de moduladores externos para los
símbolos “1” y bloques de pulsos correspondientes a “0”
en codificación digital.
• Para la emisión de luz se requiere que los diodos LED
estén polarizados directamente; esto es alrededor de
1,5V para diodos de GaAlAs emitiendo en 800-900nm y
alrededor de 1V para LEDs de InGaAsP emitiendo en
1300nm.
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Transmisores Ópticos
• Los diodos láser se empaquetan en módulos que
contienen circuitería para manejar la corriente del LD,
control termoeléctrico y un fotodiodo para monitorear
los niveles de potencia en el láser.
BWtransmisor
0,35/ Tiempo de Subida
Tiempo de Subida (Rise Time), es el intervalo que le
toma a la señal de luz a la salida del transmisor
modificar su valor desde el 10% hasta el 90% de su
nivel estacionario.
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Conversión Voltaje/Corriente en la
modulación de un LED
Este circuito
se denomina
“driver” de
corriente
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Diagrama de Bloques de un Transmisor
Óptico basado en LED
Esquema
de un
transmisor
óptico
típico
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Diagrama de Circuito de un Driver de
Corriente para un Diodo Láser
La
funcionalidad
del fotodiodo
es monitorear
la potencia de
emisión del
LD.
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Esquema de un transmisor óptico dual
basado en diodos láser
Los componentes
incluidos en el
enpaquetamiento
son los
indispensables
para asegurar un
funcionamiento
correcto del
transmisor.
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Fiabilidad en Láseres
• Las pruebas de fiabilidad suelen realizarse a
temperaruras elevadas (70ºC), T p , y ajustando la
corriente de polarización para emitir una potencia óptica
constante (mW). Se trata de observar el instante en que
esta corriente se incrementa un 50% respecto de su valor
inicial.
• Para estimar la vida media en condiciones normales de
operación, T o , se utiliza un coeficiente L, que se
determina utilizando la ley de Arrhenius; donde E es la
energía de activación de cada mecanismo de falla en
particular, y K es la constante de Boltzman.
L
E
1 1
exp
K
Tp
To
E~0,8eV; L~60

Interfaces Ópticos hacia la fibra
Los interfaces pueden incluir lentes colimados o
pequeños segmentos de fibra que facilitan el
acoplamiento de la fuente óptica hacia la fibra.
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Esquemas de Receptores Análogos y
Digitales
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Detectores Ópticos
• El primer elemento en la cadena de recepción en un
sistema óptico es precisamente un detector óptico, pues la
señal óptica recibida debe convertirse en una señal
eléctrica previamente a su amplificación, demodulación y
demultiplexación.
• Los fotodetectores prácticos son de dos tipos básicos:
dispositivos fototubos que utilizan tubos de vacío y
dispositivos de estado sólido que aprovechan los efectos
de las junturas (fotodiodos) y que incluyen: el
fotodetector PIN y el fotodiodo de avalancha (APD).
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Modelo Básico de la Fotodetección
Superficie fotosensible
Campo de
luz
Electrones
i(t)
Resistencia
de carga, R L
Voltaje de Polarización
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Operación de los Fotodetectores
La energía de los fotones absorbida por los electrones
forma pares electrón-hueco que se movilizan hacia los
electrodos originando un flujo de corriente.
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Detectores Ópticos
• Es deseable que los fotodetectores sean altamente
eficientes, tengan bajo nivel de ruido, amplio ancho de
banda, sean poco sensible a las variaciones de
temperatura, baratos, y pequeños entre otras.
• Los fototubos usan materiales fotosensitivos (compuestos
de Si o Ge) en la superficie receptora. Los electrones
excitados se liberan en el vacío y se recogen en el ánodo
para producir el flujo de corriente. Un tubo
fotomultiplicador (PMT) es un fototubo con múltiples
platos (dínodos) cada uno de los cuales produce
emisiones secundarias, multiplicando el flujo de corriente.
Los PMT tienen ganancias en el rango de 10 3 y 10 5 .
9/4/2012 René Játiva Espinoza

Fotodiodo PIN
Sencillos y
rápidos. Son
una juntura PN
con una zona
ligeramente
dopada para
ensanchar la
zona de
agotamiento
9/4/2012 René Játiva Espinoza

Fotodiodo de Avalancha (APD)
Son más
lentos pero
mucho más
sensibles a la
luz que los
PIN
Los portadores de carga liberados por los fotones
incidentes a su vez excitan la liberación de nuevos
pares electrón-hueco en la estructura.
9/4/2012 René Játiva Espinoza

Detectores Ópticos
Tipo de
Detector
Ganancia,
g
Factor de
Exceso de
Ruido, F
Ancho
de
Banda
(GHz)
Corriente
Oscura
promedio
(A/cm 2 )
Fototubo
PMT
Diodo PIN
APD
1
10 3 – 10 5
1
50-200
1
1+ 2
1
g+(2-1/g)(1-)
0,500
0,100
1 – 5
1 – 5
10 -12
10 -11
10 -13
10 -14
= factor de esparcimiento de PMT
= coeficiente de ionización de APD
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Detectores Ópticos: Rango de
Operación
Material
Silicio
Germanio
GaAs
InGaAs
InGaAsP
Longitud de Onda (nm)
400-1000
600-1600
800-1000
1000-1700
1100-1600 (depende del
dopaje)
Los detectores
de Ge son más
ruidosos que los
de Si, y los
detectores de
InGaAs y de
InGaAsP
típicamente
operan entre
1300-1500 nm
9/4/2012 René Játiva Espinoza

Detectores Ópticos
• La eficiencia en un fotodiodo está dada por su
responsividad, es decir la cantidad de electrones que
puede generar en relación con los fotones recibidos.
La responsividad de un APD es mayor que la de un
fotodetector PIN. Sin embargo el APD es más
sensible a la temperatura y también más caro que un
fotodetector PIN. El PIN se usa generalmente en
transmisiones de corta distancia mientras el APD en
largas distancias.
9/4/2012 René Játiva Espinoza

9/4/2012 René Játiva Espinoza
Detectores Ópticos
• La geometría del detector puede influenciar la
velocidad del detector y su sensibilidad. En efecto,
en caso de que el haz luminoso sea mayor que el área
activa del detector, parte de la luz se pierde y la
sensibilidad se reduce.
• Adicionalmente, la velocidad del detector está
limitada por su área, mientras más grande es el
dispositivo, más tarda éste en responder.
• Para el caso de diodos PIN, el ancho de banda está
dado por la siguiente expresión:
BWPIN
k
/ Ancho del Dispositivo

Características de Detectores
Típicos
Dispositivo Responsividad Tiempo
subida
Fototransistor (Si)
Fotodarlington (Si)
PIN (Si)
PIN (InGaAs)
APD (Ge)
APD (InGaAs)
PIN-FET (Si)
PIN-FET (InGaAs)
18 A/W
500 A/W
0.5 A/W
0.8 A/W
0.6 A/W
0.75 A/W
15000 V/W
5000 V/W
9/4/2012 René Játiva Espinoza
2,5us
40us
0,1-5ns
0,01-5ns
0,3 – 1ns
0,3 ns
10 ns
1-10 ns
Corriente
Oscura
25nA
100 nA
10 nA
0,1 – 3nA
400 nA
30 nA
N/D
N/D

Detectores Ópticos
• El rango dinámico del detector mide al margen de la
potencia óptica de entrada en el cual la corriente a la
salida del dispositivo mantiene una relación lineal con
la potencia de entrada. Típicamente esto ocurre en
niveles bajos de la señal de entrada, pero notándose
que a niveles muy bajos el ruido es mayor que la señal.
• El mayor rango dinámico le corresponde a detectores
que se usan en comunicaciones de bajas distancias,
mientras que para largas distancias se utilizan
detectores con rangos mucho más limitados y que
manejan potencias inferiores a 100uW.
9/4/2012 René Játiva Espinoza

Funciones Electrónicas en el
Receptor
• La conversión fotoeléctrica realizada por el detector es
el primer paso en el aprovechamiento de la señal a la
salida de la fibra óptica. En general se requiere
procesamiento posterior de la señal así obtenida. Las
funciones electrónicas principales son:
• Preamplificación (obtención de señales de voltaje con
niveles adecuados – se reciben potencias ópticas entre
1-10uW que producen corrientes en el orden de uA a
la salida de PIN), Amplificación,
• Ecualización (reduce distorsión), Filtrado (reduce el
ruido),
• Discriminación (regeneración) y Temporización.
9/4/2012 René Játiva Espinoza

Bibliografía
• Understanding Fiber Optics, Jeff Hecht, SAMS Publishing –
Division of Prentice Hall Computer Publishing, U.S.A, 1996.
• Optical Communications, Robert M. Gagliardi, Sherman
Karp, Wiley Series in Telecommunications and Signal
Processing, 1995.
• Comunicaciones por Fibra Óptica – Manual de Ingeniería,
Raimundo Díaz de la Iglesia, Marcombo-Boixareu Editores,
España, 1985.
• Bell College – Fibre Optics,
http://floti.bell.ac.uk/MathsPhysics
• Corning Cable Systems Design Guide Release 6.
• Optical Network Design and Implementation; Cisco Systems,
U.S.A, 2004.
9/4/2012 René Játiva Espinoza