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SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO I

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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:

vcn = onde c é a velocidade da luz e v é a velocidade

da luz na fibra


3

A relação entre os índices de refração das regiões de incidência e

transmissão, respectivamente ni e nt é dado por:

i

t

t

i

nn

θθ

sensen

= 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.

121

21 nnn

nn<

−=∆

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:

LP

Po

t

L

)log(10=α (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 modos vazados ou irradiados.

• Espalhamento de Brillouin estimulado 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:

TFRayleigh TKpn βλπγ 28

4

3

38=

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:

fdP LBRILLOUIN ××××= − αλ 223104,4 (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:

LRAMAN dP αλ ××××= − 22109,5


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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:

232

221

21

)(4

3

nn

xnRcrítico

−≅

π

λ

Sendo que no caso de fibras monomodo costuma ser aproximada:

(comprimentos de onda em torno de 1µm)

3

232

221

)996,0748,2.()(

20 −−−

≅c

críticonn

Rλλλ

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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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 cromática ou intermodal)

• Dispersão do guia de onda

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.

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.

Banda Proibida

Banda de Condução

Banda de Valência

Eg


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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 fóton

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 gálio-

alumínio (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:

Eghchf ≥=λ

Banda de Condução

Banda de Valência

Eg

elétron

lacuna


14

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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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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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.

Figura 2 - Fotogeração por recombinação direta

Eg (eV)

Fóton Camada de Valência

Camada de condução


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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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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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hvP

qI

o

p

=η

A performance do fotodiodo é caracterizada pela responsividade Rpin,

definida como a relação entre a corrente gerada e a potência óptica incidente.

hvq

PI

Ro

ppin

η==

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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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)

t t1 t2 t3 t4 t5

e ∆

I

∆


21

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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