Este documento describe los detectores ópticos utilizados en sistemas de comunicaciones ópticas. Explica que los detectores transforman la luz en una señal eléctrica y que se eligen en base a las características de la luz que llega. Detalla los tipos principales de detectores, incluyendo fotodiodos PIN y APD, y explica su principio de funcionamiento basado en la fotoconductividad en semiconductores. También analiza parámetros clave como la sensibilidad, eficiencia cuántica, ruido y cor

1. Sistemas de Comunicaciones Ópticas
Tema 05
Detectores Ópticos
Edgard Oporto
2023 - I

2. Espectro óptico

3. Componentes de un sistema de telecomunicaciones ópticas
- Emisor
- Fibra óptica
- Detector
La luz de la fuente (LED o diodo láser) se inyecta por un extremo de la fibra
y se propaga a través de ella.
En el otro extremo de la fibra se debe detectar la luz.
Detección de la luz
- Consiste en transformar la luz en una señal eléctrica.
- Es la función inversa a la emisión.
Elección del detector
Se realiza en base a las características de la luz que llega.
Elección del detector
Fotodiodo PIN
900nm-1600nm
Fotodiodo APD

4. En un sistema de telecomunicaciones con FO se puede tener:
a) Una fibra muy larga => gran atenuación
b) Una fibra corta => poca atenuación
El nivel de luz recibido depende de:
a) La longitud del tendido
b) La atenuación de la fibra
Elección del detector
SENSIBILIDAD
Es la mínima potencia de
trabajo del detector

5. - Los emisores ópticos trabajan alrededor de 800, 1300, 1500 y 1600nm.
- Los LEDs y láseres presentan atenuación bajas a esas frecuencias.
- Los detectores deben funcionar, también, a estas longitudes de onda (NIR).
- Los detectores deben tener respuesta rápida para Tx a alta velocidad.
Elección del detector

6. Característica que debe cumplir:
- Alta sensibilidad en el IR cercano (NIR)
- Dimensiones reducidas
- Superficie de recepción compatible con el diámetro de la fibra
- Insensibilidad a variables, especialmente la temperatura
Tipos de detectores
a) Detectores térmicos
b) Detectores cuánticos
Elección del detector

7. a) Detectores térmicos
Al recibir radiaciones, la absorben y elevan su temperatura.
Al variar la temperatura, puede variar también:
- La resistencia eléctrica (detectores bolométricos, terminstancias, resistencias de platino)
- La constante dieléctrica (detectores piroeléctricos)
- El potencial de contacto (par termoeléctrico, termopilas)
- El volumen de un gas (células Golay)
Características generales
- Poseen una respuesta espectral plana, muy extensa
- La variación del parámetro físico puede convertirse fácilmente en señal eléctrica
- Tienen baja sensibilidad
- Son lentos
Todas estas desventajas los vuelven inutilizables en el área de las telecomunicaciones ópticas
Elección del detector

8. b) Detectores cuánticos
- Los fotones incidentes transfieren energía a los electrones del detector.
Dos casos
Efecto fotoeléctrico
Los electrones salen/escapan del material
Fotoconducción
Los electrones pasan de la BV a la BC (en semiconductores)
Elección del detector
EFECTO FOTOELECTRICO FOTOCONDUCCION

9. b) Detectores cuánticos
EFECTO FOTOELECTRICO
- Se emplea en las celdas fotoeléctricas (paneles solares).
- También en los foto multiplicadores en los que es necesario hacer el vacío para
recuperar los electrones emitidos por la superficie del sólido.
- Aun no es posible la emisión fotoeléctrica para longitudes de onda mayores a
1000nm.
- Por ello, este tipo de detectores no se adaptan para FOs.
Elección del detector
https://visitantes.auger.org.ar/index.php/que-es-un-tubo-fotomultiplicador/

10. b) Detectores cuánticos
FOTOCONDUCCIÓN
- Se produce cuando el material absorbe la energía de los fotones.
- Esto provoca que los electrones pasen de la BV a la BC.
- Aplicando una tensión externa se puede conseguir una corriente eléctrica.
Existen dos tipos de dispositivos fotoconductores
a) Fotodiodo PIN
b) Fotodiodo de avalancha (APD)
Existen otros no empleados en FO
- Foto diodo PN
- Foto transistor
Elección del detector
BV
BC

11. Absorción óptica
Al incidir fotones sobre un semiconductor, se genera una señal eléctrica.
a) El fotón incidente penetra en el semiconductor.
b) Es absorbido por el mismo. Su energía es entregada a un electrón.
c) El electrón pasa de la BV a la BC.
=> Se logra un electrón en la BC y un hueco en la BV.
=> Se crea un par ELECTRON-HUECO por cada fotón absorbido.
Si los electrones se
recuperan, mediante un
circuito externo => se
produce corriente
eléctrica.
Principio de funcionamiento del fotodiodo

12. Absorción óptica
La absorción se cuantifica mediante el coeficiente de absorción ∝.
Si un fotón incide con potencia 𝑃𝑜, la potencia 𝑃(𝑥) a una distancia 𝑥 de la
superficie esta dada por:
𝑃(𝑥) = 𝑃𝑜𝑒−𝛼𝑥
𝜶 depende del semiconductor y de la longitud de onda 𝝀 de la luz.
Principio de funcionamiento del fotodiodo

13. Absorción óptica
Para que exista absorción:
ℎ𝑓 = ℎ
𝑐
𝜆𝑐
= 𝐸𝑔
Donde:
ℎ Constante de Planck
Valor: 6.62606957 ×10-34 J s (4.13566733 × 10-15 eV s)
𝐸𝑔 Energía de la banda prohibida
𝑓 Frecuencia del fotón
𝜆𝑐 Longitud de onda crítica que garantiza una energía 𝐸𝑔 para
transición de la BV a la BC
Para que se dé la absorción: 𝝀 < 𝝀𝒄
Principio de funcionamiento del fotodiodo

14. Semiconductores empleados como detectores
Se muestran las 𝐸𝑔 y las longitudes de onda críticas.
Principio de funcionamiento del fotodiodo
InAs Ge Si InP GaAs
𝑬𝒈 (𝒆𝑽) 0.36 0.65 1.1 1.35 1.43
𝝀𝒄 (𝒖𝒎) 3.44 1.91 1.13 0.92 0.87
ℎ
𝑐
𝜆𝑐
= 𝐸𝑔 ⇒ 𝝀𝒄 = 𝒉
𝒄
𝑬𝒈
𝜆𝑐 =
𝟏. 𝟐𝟒
𝐸𝑔
𝒆𝑽 (𝜆𝑐 𝑒𝑛 𝑢𝑚)
1𝑒𝑉 = 1.6𝑥10−19
𝐽

15. Variación de 𝜶 según la longitud de onda
- Silicio
- Germanio
- Arseniuro de galio
Se emplean semiconductores
con propiedades absorbentes
en las longitudes de onda
empleadas comercialmente.
Principio de funcionamiento del fotodiodo
𝑬 =
𝟏. 𝟐𝟒
𝝀
𝒆𝑽
(𝜆 𝑒𝑛 𝑢𝑚)

16. - Entre las regiones p y n se forma un campo eléctrico.
- Entre ellas se crea un barrera de potencial y una zona sin portadoras.
- Los fotones inciden por la capa p.
- Esta capa es transparente, antirreflejante.
- Estos fotones son absorbidos en la zona sin cargas.
- Se generan pares electrón-hueco.
- El campo eléctrico mueve a estas portadoras.
- Se crea así una corriente.
- El campo es más intenso en el centro de la zona.
Fotodiodo PN
p n

17. - Tienen una capa intrínseca I entre las capas 𝑃 y N.
- El campo eléctrico es más intenso y uniforme.
- La zona de transición ocupa toda la
región intrínseca.
- Los pares ELECTRON-HUECO se
forman en la zona intrínseca donde
predomina el campo eléctrico.
- La eficiencia del diodo puede
optimizarse para una longitud de
onda dada variando el ancho de la
zona de transición.
Fotodiodo PIN
p i

18. Eficiencia cuántica 𝜼
𝜂 =
𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑟𝑒𝑐𝑜𝑙𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑜𝑠
𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑓𝑜𝑡𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠
Es menor o igual 1, adimensional.
Se puede expresar también en porcentaje.
Depende de dos mecanismos
a) Nivel de absorción
b) Recolección de portadores generados
Notas
- Los fotones incidentes sufren reflexión parcial al incidir en el semiconductor.
- Para reducir la reflexión se emplea una capa dieléctrica anti reflejante.
- La reflexión mínima se logra solo para cierto ancho de capa anti reflejante y
para cierta longitud de onda.
Parámetros del fotodiodo

19. Para fotodiodo PIN de silicio.
Parámetros del fotodiodo
Eficiencia cuántica 𝜼
𝜂 = 1 − 𝑅 𝑒−𝛼𝑊
𝛼: 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖ó𝑛
𝑊: 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑧𝑜𝑛𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛
𝑷𝒂𝒓𝒂 𝒂𝒖𝒎𝒆𝒏𝒕𝒂𝒓 𝒍𝒂 𝒆𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂:
− 𝑅𝑒𝑑𝑢𝑐𝑖𝑟 𝑅
− 𝐴𝑢𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑟 𝑊

20. Se define como:
𝑆𝑑 =
𝐼𝑠
𝑃𝑜
(𝐴/𝑊)
Es la relación entre la corriente eléctrica suministrada por el detector (𝑰𝒔) y
la potencia (𝑃𝑜) incidente.
Se puede comprobar que:
𝑆𝑑 = 𝜂
𝑒
ℎ𝑐
𝜆
- Para un rendimiento cuántico dado, la sensibilidad aumenta con la
longitud de onda.
- Esto indica que hay más fotones/watt a longitudes de onda mayores.
Parámetros del fotodiodo
Responsividad
𝑃𝑜

21. Variación con la longitud de onda
a) Para fotodiodos de silicio
b) Para fotodiodos de germanio
Las curvas a trazos indican
las responsividades
ideales para rendimientos
cuánticos del 50% y del
100%.
Parámetros del fotodiodo
Responsividad

22. El fotodetector debe tener un tiempo de respuesta muy corto.
Depende de dos parámetros importantes:
a) Capacidad entre las capas del fotodiodo (actúa como filtro pasa bajo)
Mayor capacidad => recorte de frecuencias altas
=> empeora el tiempo de respuesta
b) Tiempo de tránsito de los portadores producidos
Portadores generados en la zona de transición (tiempo de transito)
En esta zona existe un campo eléctrico E.
A mayor campo, mayor velocidad.
Portadores generados fuera de la zona de transición (tiempo de difusión)
En esta zona no existe campo eléctrico.
Los portadores emigran hacia la zona de transición por difusión, un fenómeno lento.
Parámetros del fotodiodo
Tiempo de respuesta

23. Capacidad del fotodiodo
𝐶 = 𝜖
𝐴
𝑊
Al aumentar la tensión aplicada, aumenta el
ancho W.
Al aumentar W, disminuye C.
Variación de la
capacidad de un
fotodiodo en
función de la
tensión inversa
aplicada.
La estructura PIN resulta de gran
utilidad para aumentar W.
Parámetros del fotodiodo
Tiempo de respuesta

24. - Un fotodiodo es un diodo polarizado en
inversa.
- Sin fotones incidentes, la corriente que
circula es la corriente inversa del diodo o
corriente de saturación.
- Esta es una corriente de origen térmico, se
reduce limitando la superficie del diodo.
- A mayor 𝐸𝑔 menor es la corriente de
oscuridad.
Parámetros del fotodiodo
Corriente de oscuridad, 𝑰𝒐
- La corriente de oscuridad aumenta rápidamente
con la temperatura.
- La corriente de oscuridad del diodo de germanio
es casi 10000 veces mayor que la del diodo de
silicio a 27°C.
Circuito típico

25. En un sistema de telecomunicaciones por FO, la potencia que llega al detector
suele ser pequeña, inferior a 10-9 W.
A 850nm, un fotodiodo ideal (𝜂 = 100%) posee una responsividad de:
𝑆𝑑 = 𝜂
𝑒
ℎ 𝑐
𝜆 = 1
1.6𝑥10−19𝑥0.85𝑥10−6
6.63𝑥10−34𝑥3𝑥108
= 0.68 A/W
La corriente eléctrica entregada por el fotodiodo puede ser inferior a 10−9
A (1nA).
El ruido debe ser mucho menor a la señal.
La potencia mínima detectable depende de:
- Corriente de ruido
- Responsividad del detector
Así, la potencia mínima detectable impone un limite a la longitud de onda.
Parámetros del fotodiodo
Ruido

26. Existen dos fuentes o tipos de ruido
a) Ruido cuántico, de granalla, de disparo o shot, debida a la corriente 𝐼𝑠
b) Ruido térmico debido a la corriente de oscuridad 𝐼𝑜
Parámetros del fotodiodo
Ruido

27. - Es debida a la corriente 𝐼𝑠
- La transformación FOTON-ELECTRON tiene naturaleza estadística.
- Presenta fluctuaciones alrededor de un valor medio.
- Estas fluctuaciones constituyen ruido.
- Este ruido, debido a su naturaleza cuántica, se designa como ruido cuántico,
ruido de granalla o ruido de Schottky.
Parámetros del fotodiodo
Ruido cuántico

28. Parámetros del fotodiodo
https://www.nwengineeringllc.com/article/thermal-noise-in-communication-and-optical-systems.php

29. Ionización por impacto
- Los APD tienen una zona de absorción y una de amplificación.
- Los fotones incidentes son absorbidos en la zona de absorción
- Y se generan pares electrón-hueco.
- Debido al campo eléctrico, estos pares son acelerados a la zona de amplificación.
Esto resulta en un efecto de multiplicación o ganancia de corriente.
Esta característica les confiere una mayor responsividad o sensibilidad con respecto a los
fotodiodos PIN.
Fotodiodo de avalancha - APD

30. Disponen de una zona de absorción.
Disponen de una zona de multiplicación.
Fotodiodo de avalancha - APD
https://www.hamamatsu.com/eu/en/product/optical-sensors/apd.html
InGaAs APDs
InGaAs APDs provide high NIR
sensitivity for low light detection
at high speeds.

31. Trabajan con voltajes inversos (típico 100 a 200V en silicio).
Presentan una ganancia de corriente (alrededor de 100) debido a la ionización de
impacto (efecto avalancha).
Algunos APD de silicio dopado permiten ganancias mayores (>1000) pero a
tensiones superiores (>1500V).
En general, a mayor tensión inversa, mayor ganancia.
Ventajas
- Tienen sensibilidad mayor que los fotodiodos PIN.
- Se emplean cuando la potencia recibida es baja.
- Los APDs requieren menor potencia óptica que los fotodiodos.
Fotodiodo de avalancha - APD
https://www.lasercomponents.com/se/product/high-voltage-modules-for-apd/
BC 550 modules deliver up to 550V
https://www.matsusada.com/product/hvps2/onboard/tp/

32. Tabla de comparación
Características de los fotodiodos de avalancha de Si, Ge e InGaAs.
Fotodiodo de avalancha - APD

33. Circuito
The APD is usually packaged with a signal conditioning amplifier in a
small module.
Derecha Avalanche Photodiode (APD) Module
Contains APD, Amplifier and Optical Port
Izquierda Power Supply Provides APD Bias Voltage
Centro APD Current Monitor
Fotodiodo de avalancha - APD

34. Los APD:
- Mayor sensibilidad, detecta niveles muy bajos
- Mayor margen dinámico de entrada
- Adecuados para largas distancias
- Mejor velocidad de respuesta
- La ganancia depende de la temperatura
- Requiere circuito de compensación de temperatura
- Más complejo y caro
- Más ruido
- Mayor consumo de potencia
- Mayor tensión de alimentación
APD versus PIN

35. .
APD versus PIN