Sistema Básico de Comunicação Óptico

SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO I
SISTEMA BÁSICO DE COMUNICAÇÃO ÓPTICO
Um sistema de transmissão por fibras ópticas é constituído por: um
transmissor óptico, um receptor óptico e um cabo de fibra óptico.
1. Transmissor Óptico:
É utilizado diodo Laser (LD) ou Diodo Emissor de Luz (LED), chamados
de osciladores ópticos. Estes dispositivos são pequenos, leves, consomem
potência, são relativamente fáceis de modular. A presença de um bit lógico “1”
leva a corrente para além do limiar e faz o diodo emitir luz. Exemplos: Ndi Yag
Laser com o comprimento de onda de 0,1nm, Diodo Laser λ = 1 – 5nm, Led λ =
20 – 100nm, Henc Laser: 0,002nm.
2. Receptor Óptico:
O receptor óptico compõe-se de um dispositivo fotodetector e de um
estágio eletrônico de amplificação e filtragem. O dispositivo fotodetector é
responsável pela detecção e conversão de sinal luminoso em sinal eletrônico. Os
fotodetectores podem ser: fotodiodos PIN e os fotodiodos avalanches (APD). O
estágio eletrônico associado ao fotodetector tem a função básica de filtrar a
amplificar o sinal elétrico convertido. A qualidade de receptor óptico é medida pela
sua sensitividade, a qual especifica a potência mínima para um determinado
desempenho em termos da relação sinal-ruído (S/N) ou de taxa de erros de
transmissão.
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3. Canal de Informação:
O canal de informação refere-se ao caminho entre o transmissor e o
receptor: a fibra de vidro (ou de plástico) também chamado de meio de
transmissão.
Vantagens da Fibra
Para enlaces longos, cabos ópticos são mais baratos de transportar a
informação e mais fáceis de se instalar do que os cabos metálicos. Por exemplo:
um dos cabos disponíveis comercialmente têm uma fibra com 125µm e uma capa
plástica com diâmetro externo de 2,5 mm, peso de 6kg/Km e perda 5 dB/km. Um
cabo coaxial RG–19/U que tem uma atenuação de 22,6 dB/km quando transporta
um sinal de 100 MHz, seu diâmetro externo é 28,4 mm e seu peso é de
1110kg/km.
Outras vantagens são: Imunidade à interferência eletromagnética,
abundância da matéria prima, isolamento elétrico total, grande largura de banda e
baixa atenuação, ausência de diafonia.
Fibra Óptica
A propagação da luz transmitida em uma fibra se dá usando o processo
de reflexões sucessivas ao longo da fibra. A velocidade de propagação da luz
varia com o índice de refração do meio (n) em que se propaga, caracterizando um
meio dielétrico do ponto de vista óptico e determinando o comportamento da luz
ao passar de um meio para outro. O índice de refração é dado pela relação:
n=
c
v
onde c é a velocidade da luz e v é a velocidade
da luz na fibra
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A relação entre os índices de refração das regiões de incidência e
transmissão, respectivamente ni e nt é dado por:
n i sen θ t
=
n t sen θ i
onde θt é o angulo de transmissão e
θi é o angulo de incidência
Para que a luz seja confinada no guia e haja o processo de reflexões
sucessivas, é necessário que o índice de refração do núcleo seja superior ao da
casca, modificado em função de sua composição. A variação do perfil do índice na
fibra é um dos fatores que caracteriza os tipos de fibra existentes: tais como fibra
de índice degrau, fibra de índice gradual e fibra monomodo.
∆=
n1 − n 2
n1
n 2 < n1
O parâmetro ∆ que é chamado de diferença do índice de refração entre
o núcleo e a casca, ou seja, diferença da abertura de numérica de uma fibra
óptica.
Figura 1 -
Fibras Monomodo, Mutlitmodo Índice Degrau, Multimodo Índice Gradual
Janelas de transmissão
A tecnologia pioneira de fibras ópticas caracteriza-se pela existência de
regiões espectrais, em torno dos picos de absorção de OH-, com atenuação
mínima. Essas regiões de atenuação mínima, centradas nos comprimentos de
onda 850nm, 1300nm e 1550nm deram origem às chamadas janelas de
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transmissão. A operação na região de 850nm, onde as fibras oferecem
atenuações típicas de ordem de 3 a 5 dB/km para aplicações em sistemas a curta
distância, justifica-se principalmente pela simplicidade e custos da tecnologia
disponível de fontes e detectores luminosos. A janela de 1300 nm está associada
a características de dispersão (material) nula, oferecendo possibilidades de
enormes capacidades de transmissão, também é bastante atrativa para operação
de sistemas de alta capacidade de transmissão. Em 1550 nm, corresponde
efetivamente a uma região de atenuação espectral mínima para fibras de sílica e
em 1570 nm perdas de 0,16 dB/Km.
As janelas ópticas podem ser classificadas:
1ª Janela óptica: λ = 800 a 900nm (vermelho arseneto de gálio)
(20dB/km)
2ª Janela óptica: λ =1.300 nm (0,3 a 0,5 dB/km)
3ª Janela óptica: λ = 1550nm (0,18 a 0,25 dB/km)
Características de transmissão
O processo de programação em uma fibra está sujeito a várias causas
que podem prejudicar a detecção do sinal no receptor. Entre os mais importantes,
pode-se citar:
• Atenuação é causada pela absorção do material, espalhamento (em função
de uma freqüência), emendas e conectores (falhas e defeitos de fábrica).
Sendo associada às perdas de transmissão
• Dispersão modal: é o atraso diferencial entre os vários modos de
programação de fibra.
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• Dispersão material: alargamento do pulso devido ao fato de que o índice de
refração depende do comprimento de onda (esta dispersão é proporcional a
largura espectral da fonte)
A dispersão caracteriza a capacidade de transmissão de uma fibra
óptica, expressa pela faixa de transmissão (em bits por segundo) ou pela banda
passante (em Hertz).
1. Atenuação
Atenuação de uma fibra óptica é definida em termos da relação de
potência luminosa na entrada da fibra de comprimento L e a potência luminosa na
sua saída. Essa relação é dada por:
αL =
10 log(
Pt
L
Po
)
(dB/Km)
Os requisitos para escolha do material incluem baixas perdas e a
possibilidade de seu formado ser parecido com longas fibras da espessura de um
fio de cabelo. O material deve ser capaz de pequenas variações no índice de
refração de tal forma que obtenha dois índices, um para o núcleo e outro para a
casca (onde são feitas às dopagens com titânio, germânio, boro, fósforo, etc).
Fibras de vidro geralmente tem menor absorção do que fibras de plástico e por
isso são preferidas para comunicações as longas distâncias.
Os mecanismos básicos responsáveis pela atenuação em fibras ópticas
são:
1.1 absorção
1.2 espalhamento
1.3 curvaturas
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1.1 Perdas por absorção
As perdas por absorção são causadas pelo tipo de material utilizado na
construção da fibra e são classificadas como:
a) absorção intrínseca:
Depende do material usado na composição da fibra e constitui-se no
principal fator físico definindo a transparência de um material em uma região
espectral especializada. A absorção intrínseca estabelece o limite mínimo
fundamental na absorção para qualquer tipo de material usado. Os principais
mecanismos de absorção são:
! Banda de absorção eletrônica - que resulta de transições estimuladas de
elétrons na região ultravioleta (pico em λ = 0,14 µm para sílica fundida)
! Banda vibrações atômicas – que ocorre na região do infravermelho.
Essas características implicam a existência de uma janela de absorção
intrínseca baixo da faixa de 0,7 a 1,6 µm para o caso de sílica dopada com
germânio. Ela impossibilita o uso de fibras de sílica além do comprimento de onda
de 1,6 µm.
b) absorção extrínseca:
Resulta da contaminação de impurezas que o material de fibras
experimenta durante seu processo de fabricação. A absorção dos íons metálicos
(cobre, ferro, cromo) que apresentam transições eletrônicas na região de 0,5 a 1,0
µm, constitui-se no principal fator de perdas de fibra, podendo chegar a perdas
superiores à 1dB/km para uma concentração de cobre ou de cromo equivalente a
uma parte por bilhas.
Outra causa de absorção extrínseca é a presença de íons OH-(água
dissolvida no vidro) cuja vibração fundamental na sílica ocorre em 2.730 nm com
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sobretons harmônicos em 720, 950 e 1390nm. Essas concentrações implicam em
perdas de 1dB/km e 950nm e 40dB/km em 1390nm. Após a evolução da
tecnologia das técnicas de fabricação esses níveis OH- foram sendo reduzidos,
por exemplo, de 0,20dB/km em 1550nm.
c) Absorção por defeitos estruturais:
Resulta do fato da composição do material da fibra estar sujeita a
imperfeições, tais como a falta de moléculas ou a existência de defeitos do
oxigênio na estrutura do vidro.
1.2 Perdas por espalhamento
Os mecanismos de espalhamento contribuindo para as perdas de
transmissão em fibras ópticas incluem os seguintes tipos:
•
Espalhamento de Rayleigh
são mecanismos lineares de espalhamento
causados pela transferência de potência para
•
Espalhamento de Mie
•
Espalhamento de Brillouin estimulado
modos vazados ou irradiados.
são mecanismos não lineares que
implicam a transferência de potência
•
Espalhamento de Raman estimulado
de um modo guiado p/ si mesmo.
Modos de propagação
Esta
associado
a
teoria
de
propagação
eletromagnética,
são
determinados pelas equações de Maxwell, sob as condições de contornos
impostas pelo tipo de guia de onda e representam um conjunto de ondas
eletromagnéticas que são guiadas de maneira estável pelo guia. Os modos de
propagação podem ser:
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#
Modos vazados: modos associados a raios inclinados e oblíquos. É uma
propagação próxima a casca, esse modo é atenuado à medida que a luz se
propaga. O modo vazado pode carregar uma energia grande da fonte
(quantidade significativa de potência luminosa), isto ocorre em fibras cujo
comprimento de onda é pequeno.
#
Modos irradiados: são aqueles guiados pelo núcleo e irradiam potência para
fora. São raios fora do cone de aceitação e são refratados para a casca. Como
temos a casca com espessuras finitas e dimensões adequadas então temos
modos irradiados pela casca e conseqüência redução da banda passante.
Espalhamento Rayleigh
É causado por variações de natureza aleatória na densidade do
material da fibra que ocorrem em distâncias muito pequenas quando compararas
com comprimento de onda de luz transmitida. Essas variações resultam de
flutuações na composição do material da fibra assim como de defeitos e não
homogeneidades estruturais causados durante o processo de fabricação.
O coeficiente de perdas por espalhamento é:
γ Rayleigh
8π 3 8 2
= 4 n p K TF β T
3λ
λ = comprimento de onda da luz transmitida
n = índice de refração
p = coeficiente fotoelástico médio (0,286 para a sílica)
k = constante de Boltzmann
βT = compressibilidade isotérmica na temperatura fictiva
TF = temperatura em que o vidro entra em equilíbrio termodinâmico
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Espalhamento de Mie
É causado pela existência na fibra de não-homogeneidade de
dimensões comparáveis a do comprimento de onda da luz transmitida. Esse tipo
de espalhamento resulta de imperfeições na estrutura cilíndrica da fibra;
irregularidade na interface núcleo-casca, flutuações do índice de refração ao longo
da fibra, flutuações do diâmetro. Essas imperfeições podem implicar a
transferência de energia de um modo guiado para irradiados.
Espalhamento de Brillouin estimulado
É um efeito não linear que pode ser visto como sendo uma modulação
(em freqüência) da luz transmitida, pelas vibrações moleculares térmicas. Este
efeito resulta na transferência de potência de um modo para si mesmo,
principalmente na direção contrária de propagação e em outra freqüência. O limiar
de potência luminosa que estimula o espalhamento de Brillouin é:
PBRILLOUIN = 4,4 ×10 −3 d 2 × λ 2 × α L × f (Watts)
d = diâmetro do núcleo da fibra (µm)
λ = comprimento de onda de operação (µm)
αL = atenuação da fibra (dB/Km)
f = largura da faixa da fonte luminosa (GHz)
Espalhamento de Raman estimulado
Ocorre também a partir de um certo limiar de potência luminosa, mas
com transferência de potência na direção de propagação, sendo o limiar de até
três ordens de magnitude superior, dado por:
PRAMAN = 5,9 × 10 −2 × d 2 × λ × α L
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SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO I
Os efeitos do espalhamento de Raman, como o de Brillouin, não são
usualmente observados em fibras multimodo em razão das dimensões do núcleo
serem relativamente grandes.
1.3 Perdas por curvaturas
As fibras ópticas estão sujeitas a perdas de transmissão quando
submetidas a curvaturas que podem ser classificadas em dois tipos:
! Macrocurvaturas - curvaturas cujos raios de curvatura são grandes
comparados com o diâmetro da fibra (ex.: quando um cabo óptico “dobra” um
canto ou uma esquina)
! Microcurvaturas – curvaturas microscópicas aleatórias do eixo da fibra cujos
raios de curvatura são próximos ao raio do núcleo da fibra (ex.: quando as
fibras são incorporadas em cabos ópticos).
Existe um raio de curvatura crítico a partir do qual as perdas por
curvaturas passam a ser muito importantes:
Rcrítico ≅
3n12 x λ
4π (n12 − n 22 )
3
2
Sendo que no caso de fibras monomodo costuma ser aproximada:
(comprimentos de onda em torno de 1µm)
Rcrítico ≅
20 λ
(n12 − n 22 )
3
.(2,748 − 0,996
2
λ −3
)
λc
As curvaturas têm o efeito de diminuir o número de modos propagados,
melhorando a capacidade de transmissão em fibras multimodo.
Na fibra monomodo considerando-se a curvatura em comprimentos
superior a 1 metro, recomenda-se trabalhar com raios de curvatura mínima
equivalentes ao dobro do raio crítico. As perdas por curvaturas em fibras
monomodo, cujos raios de curvatura não forem superiores a 5 cm não são
significativos.
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SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO I
Dispersão
Resulta dos diferentes atrasos de propagação dos modos que
transportam a energia luminosa, tem pôr efeito a distorção dos sinais transmitidos,
impondo uma limitação na sua capacidade de transmissão.
Na transmissão digital, o espalhamento dos pulsos óptico resultante da
dispersão, determina a taxa máxima de transmissão de informação (bps) através
da fibra. Na transmissão analógica, a distorção do sinal óptico transmitido produz–
se uma limitação da banda passante (Hz) da filtra óptica.
Existem três mecanismos básicos da dispersão em fibra óptica com
implicações distintas segundo o tipo de fibra:
•
Dispersão modal ou intermodal – caracteriza –se por afetar a transmissão em
fibras multimodo e resulta do fato de cada modo de propagação, para um
mesmo comprimento de onda, ter uma diferente velocidade (de grupo) de
propagação.
•
Dispersão material
•
Dispersão do guia de onda
(Dispersão cromática ou intermodal)
Essa dispersão é resultante da dependência da velocidade (de grupo)
de propagação de um modo individual com relação ao comprimento de onda. Esse
efeitos aumentam com a largura espectral da fonte luminosa.
Fontes Luminosas e Fotodetectores
As fontes luminosas e os fotodetectores usados em comunicações
ópticas são realizados com materiais semicondutores e usam propriedades
elétricas e ópticas peculiares a esses materiais. Essas propriedades são
determinadas pela estrutura das bandas de energia permitidas para os elétrons,
quando os átomos desses materiais são dispostos numa rede cristalina.
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Bandas de Energia
Num semicondutor intrínseco (sem a presença de impurezas dopantes)
à temperatura de zero grau absoluto, os átomos estarão ligados entre si por
ligações covalentes, de maneira que cada átomo consiga completar sua última
camada eletrônica com os elétrons dos seus vizinhos. Nesta situação, todos os
níveis de energia da chamada banda de valência estarão ocupados com elétrons,
não há possibilidade de condução elétrica.
Em temperaturas diferentes de zero, o efeito da agitação térmica da
rede cristalina consiste em fazer com que alguns elétrons se libertem dessas
ligações covalentes, ocupando estados de energia superiores, e deixando vagos
alguns estados na banda de valência. Surge a condutividade, que cresce com a
temperatura.
Banda de Condução
Eg
Banda Proibida
Banda de Valência
Vários mecanismos podem ser responsáveis pelo “bombeamento” de
elétrons da banda de valência para a banda de condução. Os principais
mecanismos são:
#
Agitação térmica – sempre presente em temperaturas não-nulas.
#
Absorção de fótons – suficientemente energéticos para vencer a banda
proibida (band gap) – fotodetectores.
#
Injeção de elétrons – presente em fontes luminosas.
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Mecanismos de fotogeração
Os elétrons da banda de condução acabam retornando para a banda de
valência, esse processo é chamado de recombinação, pois nele o elétron se
recombina com uma lacuna, liberando energia. Essa energia é liberada na forma
de um fóton, dando-se o nome dessa recombinação de fotogeração.
Recombinação (espontânea): elétron + lacuna
Banda de Condução
Eg
Banda de Valência
fóton
elétron
hf =
hc
≥ Eg
λ
lacuna
Além de conservar a energia, a recombinação deve também conservar
o momentum. Como o momentum do foton é muito pequeno quando comparado
com os elétrons e lacunas; isso significa que o elétron e a lacuna devem ter
momentos semelhantes para se recombinarem radiavamente, ou seja, a emissão
de um fóton. Se isso não acontecer, a recombinação exigirá a presença de uma
terceira partícula capaz de ceder momentum, os fonons, que pode ser produzida
por vibrações da rede cristalina. Com a necessidade de fonons torna a
recombinação menos provável, resulta que o processo é mais eficiente (para gerar
luz) naqueles materiais onde eles não são necessários. Esses materiais são
conhecidos como materiais de recombinação direta, ou banda proibida direta.
A necessidade de recombinação direta em fontes semicondutores
impede o uso de materiais simples, como o silício e o germânio. São usados
materiais compostos como, o arseneto-fosfeto (GaAs) de o arseneto de gálioalumínio (Gax Al1-x As) e arseneto-fosfeto de gálio-índio (InxGa1-x AsP), nos quais a
recombinação é direta.
Além da recombinação espontaneamente, essa também pode ser
estimulada pela presença de um fóton:
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SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO I
Recombinação (estimulada): 1 elétron + 1 lacuna + 1 fóton
2 fótons
Na recombinação estimulada: o novo fóton gerado tende a ser emitido
com a mesma fase do fóton que a estimulou. Por isso, o predomínio da
recombinação estimulada sobre a espontânea que ocorre nos diodos lasers, está
associado a produção de uma luz mais coerente. A recombinação estimulada é
um mecanismo de ganho óptico, podendo ser utilizado em amplificadores ópticos
e osciladores (lasers).
Fontes Semicondutoras
Existem dois tipos básicos de fontes ópticas semicondutoras: os diodos
eletroluminescentes (Light – Emittind Diodes, ou LED’s) e os diodos lasers (DL’s).
A palavra laser é uma sigla derivada de “Light Amplification by Stimuladed
Emission of Radiation” – (amplificação de luz por emissão estimulada de radiação)
A diferença básica entre esses dois tipos de fotoemissores está em
que, no LED predomina o mecanismo de fotogeração por recombinação
espontâneas, enquanto no diodo laser predomina a emissão estimulada de luz,
quando opera acima do limiar de oscilação.
Para que a emissão predomine é necessário que a distribuição de
elétrons pelos níveis de energia se afaste significativamente da distribuição de
equilíbrio térmico. Isso exige algum tipo de “bombeamento” de elétrons para os
estados excitados, que nas fontes ópticas semicondutoras é representado pela
injeção de elétrons na banda de condução da região do tipo p, ou pela injeção de
lacunas na região do tipo n. Acima de um curto nível de injeção de corrente, o
desequilíbrio da distribuição é suficiente para gerar o predomínio da emissão
estimulada, e o diodo laser passa a atuar como tal. Abaixo desse nível de injeção
de corrente que o diodo laser atua como led.
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SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO I
Diodos Eletroluminescente (Led)
São equipamentos simples, baratos e confiáveis.
Desvantagens em relação aos Dl’s:
•
Espectro mais largo da luz gerada
•
Menos eficiência do acoplamento de luz na fibra
•
Limitações acentuadas na velocidade de modulação
Em virtude desses motivos os LED’S são em geral utilizados em
sistemas de transmissão de menor capacidade, como:
•
Primeira janela (800-900nm) pode ser utilizada em sistemas de até 200mHz
aproximadamente.
•
Segunda janela de transmissão (1300nm) o limite da sua capacidade de
modulação que é entre 100 a 200 Mbps.
Dependendo da geometria do dispositivo podem ser classificados como
a dos LED’s de emissão por superfície Burrus e o dos LED’S de emissão lateral.
Diodo Laser
A estrutura é semelhante a dos LED’S de emissão lateral. O dispositivo
é dimensionado para que os campos ópticos guiados entrem em oscilação uma
potência óptica maior do que a unidade de corrente injetada. O mesmo de
oscilação que gera uma radiação mais coerente, com espectro mais estreito e
feixe mais diretivo. Os sistemas são: diodos Laser Fabry – Perot, Laser
Monomodo. *Fabry- Perot- realimentação positiva, dois espelhos paralelos,
recombinação estimulada.
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SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO I
Fotodetectores
Nos sistemas baseados na detecção direta da potência luminosa, os
fotodetectores são os componentes que recebem a luz transmitida pela fibra e
converte-a em corrente luminosa.
Para que o sistema tenha o maior alcance possível, são requisitos do
sistema:
Alta resposta ou sensibilidade na emissão da gama do comprimento de
onda da fonte óptica utilizada;
Mínima adição de ruído no sistema
Velocidade de reposta dinâmica ou suficiente largura de banda para
controlar a taxa de dados desejada.
O mecanismo básico da conversão de luz em corrente pelo material
semicondutor é a fotoionização, pela qual a energia do fóton é usada para tirar o
elétron da banda de valência para a banda de condução.
Camada de condução
Eg (eV)
Fóton
Camada de Valência
Figura 2 - Fotogeração por recombinação direta
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SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO I
Através da fotoionização, os fótons geram portadores de carga. Para
gerar corrente elétrica é preciso que um campo elétrico movimente estes
portadores antes que eles se recombinem no interior do dispositivo. Por isso, a
estrutura semicondutora de um fotodetector deve concentrar a absorção de luz em
regiões onde haja campo elétrico e poucos portadores com os quais os elétrons e
lacunas fotogerados possam se recombinar.
A estrutura básica do fotodetecor é junção pn reversamente polarizada.
A polarização reversa aumenta a barreira de potencial associada à junção pn,
através do alargamento da região de depressão. A aplicação de tensão positiva no
lado n em relação ao lado p atrai os elétrons do lado n e lacunas do lado p
(portadores majoritários) para longe da junção, alargando a região depressão até
que a barreira de potencial seja igual a tensão aplicada.
Os fotoelétrons e fotolacunas gerados dentro da região de depressão
alargada são rapidamente separados, acelerados em sentidos opostos pelo
campo elétrico da região de depressão, e coletados contribuindo assim para a
fotocorrente.
Os portadores gerados nas proximidades de região de depressão, até
um comprimento médio de difusão limitada pôr recombinação, contribuem para a
fotocorrente em sua maioria, mas com atraso em relação a sua geração.
Para que o dispositivo apresente alto rendimento e boa resposta
dinâmica, é necessário que a luz seja absorvida tanto quanto possível apenas na
região de depressão. Para isso, é necessário que a largura da região de
depressão seja muitas vezes maior que α-1, onde α é o coeficiente de absorção
do material.
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SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO I
FOTODIODO PIN
O alargamento da região de depressão não exige necessariamente que
as tensões de polarização reversa sejam muito altas. Se a estrutura do dispositivo
impuser o desequilíbrio entre os níveis de dopagem nos lados p e n da junção, a
região de depressão tende a um alargamento proporcionalmente maior para o
lado mais levemente dopado. Se colocarmos entre os dois lados material não
dopado, a região de depressão ocupará toda a camada intrínseca, onde o campo
elétrico será constante, qualquer que seja a tensão reversa aplicada. Essa
situação representa idealmente o funcionamento do fotodiodo PIN.
O fotodetector tem duas características importantes: a eficiência
quântica e velocidade de resposta. Essas características dependem da “band-gap”
do material, comprimento de onda, e da dopagem e densidade dos substratos p, i,
n.
Tabela: Energia de Gap
Material
Eg ( eV)
λ cut off (nm)
Si
1.17
1.06
Ge
0.775
1.6
Ga As
1.424
0.8
In P
1.35
0.92
InGaAs
0.75
1.65
In Ga As P
0.75 – 1.35
1.65 – 0.92
A eficiência quântica η é o número de pares de elétrons –lacunas
gerados pela energia do fóton incidente hv.
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SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO I
Ip
η=
q
Po
hv
A performance do fotodiodo é caracterizada pela responsividade Rpin,
definida como a relação entre a corrente gerada e a potência óptica incidente.
R pin =
Ip
Po
=
ηq
hv
Ruído no Fotodetector
Num enlace de comunicações ópticas com detecção direta, a entrada
do fotodetector é o ponto onde potência do sinal atinge o nível mínimo. Por isso, o
desempenho de um fotodetector depende muito da sua capacidade de não gerar
ruído novo nem amplificar os ruídos misturados ao sinal.
No caso da transmissão digital, a detecção de um pulso óptico sofrerá
os seguintes fatores de contaminação:
•
Corrente escura “Dark current”, gerada no interior do dispositivo mesmo na
ausência de luz incidente, pela excitação de elétrons que sobem da camada de
valência para a de condução, com energia fornecida pela agitação térmica da
rede cristalina;
•
Ruído balístico “Shot noise”, associado tanto a corrente escura como a
fotocorrente, gerado pela granularidade da corrente elétrica, que não é um fluxo
contínuo de carga e sim um movimento de unidades distintas de carga geradas
sob o regime estatístico de Poisson. Isso provoca flutuações estatísticas no
valor instantâneo da corrente.
•
ruído térmico, presente na carga resistiva que recebe a fotocorrente,
juntamente com seus contaminantes, para posterior amplificação.
CORRENTE ESCURA
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SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO I
Sendo causada pela energia térmica, a corrente tende a ser maior nos
materiais em que a banda proibida é mais estreita, e fatores estruturais da rede
cristalina também podem ser determinantes. O silício tem a banda proibida mais
larga e a menor corrente escura: cerca de 10-7 A/cm2. A área transversal do
fotodetector deve ser a da fibra de (10µ)2 = 10-6 cm2 no caso da fibra monomodo.
Portanto é possível fazer fotodiodos de silício com corrente escura da ordem de 1
pA, sendo que os sistemas da primeira janela de transmissão são apenas
degradados pela corrente escura.
Nos comprimentos de onda superiores, é necessário usar materiais
com banda proibida mais estreita. Por exemplo: o germânio apresenta corrente
escura de 10-3 A/cm2, resultando em correntes de 10nA sem luz sobre o
fotodetector; a corrente escura do InGaAs depende dos teores relativos de índio e
do gálio, mas gira em torno de 10-5 A/cm2.
RUÍDO BALÍSTICO
Quando a corrente é constante no tempo, o ruído balístico é
estacionário, sendo então possível caracterizá-lo por sua densidade espectral de
potência. Para uma corrente constante I supõe-se que a carga seja transportada
em pulsos de área e, que representam os elétrons.
i(t)
∆
e
∆
I
t1
t2
t3
t4
t5
t
20
SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO I
Figura 3 - Corrente i(t) gerada pelo fotodiodo PIN
A forma desses pulsos depende da movimentação de portadores, mas essa
movimentação é sempre muito rápida quando comparada com a inércia dos
sistemas por onde a corrente passará. Não há perda de generalidade ao se tomar
os pulsos de área e, como retangulares com duração ∆ pequena e altura e/∆.
Fazendo ∆ suficientemente pequeno, a probabilidade de dois elétrons serem
gerados, num intervalo de duração ∆, pode ser desprezada. Num intervalo de
duração ∆, podem-se considerar apenas duas hipóteses: geração de único
elétron, ou nenhuma geração.
Como a densidade espectral é constante, o ruído balístico pode ser
então ser modelado como um ruído branco, para efeito da análise da degradação
de desempenho por ele causado. A validade deste modelo está restrita a faixa
determinada pelo tempo de movimentação dos portadores no dispositivo.
O ruído balístico dos fotodiodos PIN costuma ser suplantado pelo ruído
térmico nos receptores a transistor bipolar; ou pelo ruído balístico dos FET’s, nos
receptores a FET.
Modulação OOK (on Off Keying)
A modulação OOK pode usar vários formatos. Os mais comuns são
NRZ (Non-return-to-zero), RZ e Short Pulse.
Demodulação
O receptor deve trabalhar numa BER aceitável, hoje na taxa de 10-12,
isto é, um bit errado a cada terabit de dados transmitidos, em média. Essa
precisão envolve dois passos: a) Sincronismo, clock e b) Determinando o bit que
foi transmitido.
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