1-MasterCO01.pdf

17/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 1
Tema1:
Tecnología de las
Comunicaciones Ópticas
1.1.- General.
1.2.- Historia
1.3.-La fibra Óptica.
1.4.- Componentes y Subsistemas.
Conversión E/O
Conversión O/E
1.5.- Enlace PaP.
1.6.- Conclusiones. Ventajas

Redes03- 17/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 2
Objetivo
‰ Tecnología de las Comunicaciones por fibra
Óptica.
ƒ Repasar y afianzar los conceptos y características
de los elementos claves de los sistemas de
Comunicaciones por Fibra Óptica.

Comunicaciones Ópticas
Comunicaciones basadas en la utilización de
la radiación luminosa, onda EM del espectro
óptico del infrarrojo cercano (0,8 a 1,6 µm),
como vehiculo de la información.

Radiación Luminosa. Espectro
Frecuencia ν

Historia
‰ Finales de los años 70. La fibra Óptica
ƒ Con la introducción y desarrollo de los sistemas
de fibra óptica llegó la revolución de las
comunicaciones cableadas.
ƒ En vez de utilizar hilos metálicos donde se
transmiten señales eléctricas, se utilizan
estructuras de materiales dieléctricos, vidrio, y
se envían señales luminosas.
Materiales: vidrio vidrio plástico
Nucleo Envoltura Cubierta

Enlace simplificado de F. O
ORIGEN TRANSMISOR
ÓPTICO
RECEPTOR
ÓPTICO
DESTINO
FIBRA ÓPTICA
Señal Eléctrica
Señal Eléctrica
Señal Óptica
Señal Óptica
Impulso
entrada
Impulso
salida

Enlace de FO. Elementos
ENTRADA.
Señal Eléctrica
TRANSMISOR ÓPTICO
CONECTOR
EMPALME
ACOPLADOR
REGENERADOR
EMPALME
AMPLIFICADOR
ÓPTICO
RECEPTOR ÓPTICO
CONECTOR
Señal Eléctrica
Señal Óptica
FIBRA
ÓPTICA
SALIDA.
Señal Eléctrica

Cables Fibra Óptica
Cable aéreo
Cable enterrado
Cable canalizado
Cable de
interior
Cable submarino
Amplif, Óptico
Cámara de
registro

Elementos Claves
id(t) ∝ Po(t)
I(t) Pi (t) P0(t)
Fuente de luz Fibra Óptica Fotodetector
‰ Fuente de Luz: Convierte las señales eléctricas I(t) en
señales ópticas Pi(t). Estas señales pueden ser
ƒDigitales. Secuencia de “1” y “0”, existencia y ausencia de luz,
respectivamente.
ƒAnalógicas. Subportadoras de frecuencia fi moduladas
‰ Fibra Óptica: Medio de transmisión por donde se
transmite la señales ópticas
‰ Fotodetector: convierte la señal óptica de salida de la
FO P0(t) en una corriente eléctrica id(t)
V0 (t)

Espectro de Operación
FIBRA ÓPTICA
FUENTES DE LUZ
AMPLIFICADORES
ÓPTICOS
FOTODETECTORES
Semiconductores
Fibra Óptica
Longitud de onda
Atenuación
(dB/km)
Responsividad
(A/W)

Fibra Óptica
‰ Constitución
‰ Tipos
‰ Características
‰ Ventajas y aplicaciones

Fibra Óptica. Constitución
Núcleo
Envoltura Cubierta
Luz
ƒ Núcleo y Envoltura: vidrio (SiO2) dopado (Ge02, B2O3 , ..)
ƒ Cubierta: Plástico
Estructura: 2 cilindros concéntricos de vidrio protegida
por una cubierta de plástico
Fundamento Físico: Estructura óptica (guía de ondas dieléctrica) donde se
confina y propaga la señal luminosa procedente de una fuente de luz externa.
n1
n2
n1 > n2
Núcleo
Envoltura
Envoltura
φ
n: índice de refracción (IR)
n2

Tipos de Fibra Óptica
r
n1
n2
n1 n2
n(r)
n(r)
MULTIMODO DE SALTO DE ÍNDICE
MULTIMODO DE ÍNDICE GRADUAL
MONOMODO
n1
n2

Tipos de F.O. Respuesta
IMPULSO DE
ENTRADA MULTIMODO DE SALTO DE ÍNDICE
MULTIMODO DE ÍNDICE GRADUAL
MONOMODO
IMPULSO DE
SALIDA

Parámetros Característicos
Longitud
Dispers. Polarización
Radio de curvatura
Punto (λ) dispersión 0
Circularidad
envoltura
Dispersión Guía
Long. Onda de Corte
Circularidad núcleo
Dispersión Material
Diámetro Campo Modal
Concentricidad n/e
Dispersión Modal
Perfil IR
Diámetro Envoltura
Atenuación
Apertura Numérica
Diámetro Núcleo.
Transmisión
Ópticos
Geométricos

Atenuación
Pe Ps
L (km)
Impulso
entrada
Impulso
salida
Señal
entrada Señal
Salida

Atenuación
‰Al igual que en otros medios de transmisión, es
el parámetro que especifica las pérdidas de
potencia luminosa que se produce en una F.O
de longitud L determinada.
ƒ Se calcula mediante:
¾Pérdidas (dB) = 10 log (Ps/Pe):
• Ps: Potencia de salida; Pe= Potencia de entrada.
ƒ Se suele expresar en dB por unidad de longitud
(km):
¾At (dB/km) = 10 log (Ps/Pe)/ L(km)

Curva característica: Pérdidas vs λ
LONGITUD DE ONDA (µm)
ATENUACIÓN
(dB/km)
Absorción infrarrojo
Scattering Rayleigh

Historia de la Atenuación. Ventanas
Principio de los
70.
Año 80
Año 90
1ª ventana
Finales 70-80
2ª ventana.
> 1980 3ª
ventana
A
t
e
n
u
a
c
i
ó
n
dB/km
Longitud de Onda (nm)

Fibra Monomodo Comercial
Longitud de onda (µm)
Atenuación
(dB/km)
Fibra monomodo convencional
Fibra monomodo “full espectrum”
(optimizada el pico OH)
Banda O Banda E Banda S Banda C Banda L
Característica de atenuación de
una SMF Comercial (Corning)

Dispersión
Pe Ps
L (km)
Impulso
entrada
Impulso
salida
Señal
entrada
Señal
Salida
T1 T2
f1(t) f2(t)
F1(ω) F1(ω) H(ω) = F2(ω) F2(ω)
Función de transferencia H(ω)
F1(ω)
ω ω
B
-3 dB

Efectos de la Dispersión
‰ Limita la tasa binaria de un enlace
ƒ El ensanchamiento de los impulsos a la salida de la fibra
produce Interferencias entre símbolos (ISI).
¾ Fenómeno que produciría errores en recepción.
ƒ Para evitar el ISI hay que mantener la anchura del impulso
dentro de la duración del bit.
¾ En un formato binario NRZ (duración del “1” igual a la duración
del bit, T) siempres se producirá ISI
¾ En un formato RZ, en donde la anchura del “1” es la mitad de T,
para que no haya ISI, se permitiría un ensanchamiento, τ, o
dispersión de de T/2.
‰ Velocidad binaria/ Anchura de Banda máxima sin ISI
ƒ R (bit/s) = 1/2 τ
ƒ B (Hz) = 1/2 τ
1 1 1
τ
2τ

Causas
‰ Causas:
ƒ Dispersión intermodal.
ƒ Dispersión intramodal:
¾Dispersión del material
¾Dispersión por guía de onda
ƒ Dispersión por polarización.
‰ Dependencia:
ƒ Tipo de fibra.
ƒ Anchura espectral de la luz emitida por el
transmisor

Dispersión en fibra multi-modo
Fibra Multimodo IG 50/125 µm
Longitud: 2000 m; Atenuación = 3 dB/km
Impulso de Entrada. T1= 1,4 ns
1 ns/div
Impulso de salida. T2= 3,6 ns
Dispersión, d = (T1
2- T2
2)1/2= 3,3 ns
Dispersión normalizadas: 1,7 ns/km
2 ns/div

Dispersión Fibra SM Convencional
‰ Para valores de λ comprendidos entre 1200 nm
y 1600 nm, la dispersión viene dada por la
siguiente expresión
)
(
4
)
( 3
4
0
0
λ
λ
λ
λ −
=
S
D
So: Pendiente de la función D(λ) en λ0
• D`(λ0) ≤ 0,092 ps/nm2.km
λ: longitud de onda de operación
λ0 : longitud de onda de dispersión nula
1300 nm ≤ λ0 ≤ 1320 nm
ps/(nm.km)

Fibra SM Convencional
M
W
T
λ (µm)
1,3 1,5 1,7
D
(ps/km/nm)
16
λ1 < λ2
‰ Definida en el Estándar G.652
‰ Distribución de la Energía entre Núcleo y
Envoltura.
‰ Componentes (M y W) y Dispersión Total (T)

SMF Convencional. Anchura de banda
‰ Anchura de Banda vs λ, para diferentes valores de la
anchura espectral σλ de la radiación
B
(GHz
.
Km)
λ (µm)
B ∝ 1/dispersión

Fibra SM de Dispersión Desviada
‰ Perfil del IR y Distribución de la
Energía entre Núcleo y Envoltura.
‰ Componentes y Dispersión Total (T)
D
(ps/km/nm)
λ (µm)
M
W
T
1,3 1,7
16
-16

Fibra SM de Dispersión Plana
D
(ps/km/nm)
‰ Perfil del IR y Distribución de la
Energía en Núcleo y Envoltura.
‰ Componentes y Dispersión Total (T)
W
1,3 1,7
16
-16
λ (µm)
M
T

Atenuación y Dispersión
1
2
3
0
2
4
6
0
1
1,3 1,5 1,7
1,1
D (ps/km.nm)
λ (µm)
A
(dB/km)
Atenuación
Características de Dispersión de fibras SM.
1): Fibra SM convencional; 2) Dispersión desplazada y 3)
Dispersión aplanada

Fibras ópticas MM comerciales
LAN
LAN
LAN
Telefonía
(inicialm.)
Aplicaciones
300
500
200
800
200
600
1.300
1.500
Anch. de Banda (MHzxkm)
850 nm
1300 nm
4
3
2,8
0,7
3
0,8
2,5
0,6
Atenuación (dB/km)
850 nm
1.300 nm
IG, SI
IG, SI
IG, SI
IG
Perfil del IR
100/140
85/125
62,5/125
50/125
Diámetro núcleo/envoltura
(µm)

Fibras ópticas SM comerciales
3,5
(1.525 – 1575 nm)
3,2 (1.285 -1.330 nm)
6 (1.270 - 1340 nm)
20 (≅ 1500)
Dispersión Total (ps/nm/km)
8,1/125
9,5/125
10,57125
Diámetro modal/envoltura (µm)
1.300 nm
1.550 nm
Telecom.
Telecom.
Aplicaciones
≅ 1.550
1.301 ≤ λo ≤ 1321
λo dispersión nula
0,5
0,2
0,35
0,2
Atenuación (dB/km)
1.300 nm
1.550 nm
SI
Perfil del IR
Disp. Desplaz.
(G.653)
Convencional
(G.652)
TIPO

Tipos de Fibras Monomodo (SM)
‰ Convencional. SSMF. G.652.
ƒ Es la mas ampliamente desplegada
actualmente
ƒ Mínimos dispersión/atenuación:
1310/1550 nm
ƒ Tiene una alta dispersión a 1550 nm
‰ Dispersión Desplazada. ZDSF G.653.
ƒ Optimizada para transmisión a 1550 nm
ƒ Problemas para sistemas DWDM

Tipo de Fibras Monomodo (SM)
‰ No cero dispersión. NZDSF. G655.
ƒ Diseñada para introducir solamente una
pequeña dispersión sin llegar a cero en la
banda donde operan los sistemas DWDM.
ƒ Fibras de dispersión positiva: TrueWave
(Lucent),
ƒ Fibras de dispersión negativa: LS (Corning),
Leaf (Corning)

Fibras monomodo vs dispersión
SSMF
DSF
D-NZDSF
D+NZDSF
Banda utilizable
Banda utilizada
0
5
-5
1530
1540
1550
1560
Dispersión
(ps/nm.km)
λ (nm)
Amplificadores Ópticos

Ventajas
‰ Poco peso
‰ Fácil de manejar
‰ Todo dieléctrico. No cortocircuitos
‰ Inmune a las interferencias EM.
‰ Muy difícil de interceptar
‰ Bxd (MHz*km) muy grande
‰ Aplicable a todo tipo de aplicaciones
ƒ Telecomunicación
ƒ Industriales
ƒ Militares
ƒ Sistemas embarcados
ƒ …..
‰ Buen comportamiento en entornos severos
ƒ Radiaciones ionizantes (misiones espaciales,..)
ƒ Gaseoductos, líneas de alta tensión,…
ƒ Redes tácticas
‰ ...

Fibra Óptica Vs Cable Coaxial
Atenuación
(dB/km)
Anchura de Banda (MHz)
FMM, IG a 850 nm
FMM, IG a 1300 nm
FSM, 1300 nm
FSM, 1500 nm
1 10 100 103 104
0,2
0,4
1
2
10
20
40
100
200

Excelentes Características de Transmisión
‰ Curva Atenuación vs Long. de onda
ƒ La atenuación no depende de la frecuencia de la señal, solo de la
frecuencia de la portadora.
ƒ Diferentes banda de trabajo.
ƒ Valores tan bajos como 0,2-0,3 dB/km
‰ Curva de dispersión (Limita la anchura de banda).
ƒ Características de dispersión optimizadas según las aplicaciones
‰ Se puede utilizar para transmisión:
ƒ Analógica. Multiplexación de subportadoras:
¾ Banda: 1 GHZ (Servicios interactivos, TV analógica,..)
ƒ Digital. TDM: SDH/SONET, ATM, IP.
¾ Sistemas prácticos actuales 20 Gbps
ƒ WDM. Multiplexación óptica (de gran interés en las nuevas
redes).
¾ Decenas de canales DWDM en la 2ª (alrededor de 1,31 µm) y 3ª
(alrededor de 1,55 µm) ventanas separados entre 100 GHz)

Aplicaciones de la fibra óptica
‰ Redes de área local.
ƒ Conexión de ordenadores en Edificios
ƒ Aplicaciones Industriales
ƒ Vehículos
‰ Red de Acceso: Redes PON, HFC
ƒ Liberización del bucle de abonado.
‰ Sistemas analógicos.
ƒ Distribución de TV
ƒ Enlaces de TV
‰ Transmisión digital a larga distancia.
ƒ Terrestre
ƒ Submarino
‰ Redes:
ƒ Campus
ƒ Metropolitana
ƒ Regional
ƒ Backbone: Telefónica, IP
¾ Nacional e Internacional.
‰ Redes Militares
‰ ….

Medios de Transmisión. Resumen
103
200
103- 104
Vacío
102
102
1
1-10
Alcance
(sin repetidores)
(km)
0.2
10
3 -102
Atenuación
(dB/km)
10-200
106
103
0-102
Anchura de
Banda
(MHz)
103- 104
109
103
102
Frecuencia
ν (MHz)
Atmósfera
Fibra
Óptica
Coaxial
Pares

Conversión E/O
‰ Fotoemisión, Fuentes de luz
‰ Tipos de fuentes de Luz
‰ TX Óptico
‰ Características

Procesos y Resultado
‰ Absorción
ƒ Un electrón en el estado E1
absorbe la energía del fotón y es
excitado al estado E2
‰ Emisión espontánea.
‰ Emisión estimulada
E2
E1
hν12 hν12 (en fase)
¾ Resultado: Emisión muy
directiva, en fase con la luz
incidente.
Luz muy coherente
hν12
Eg
E2
E1
-
- -
Eg
E2
E1
-
- -
hν12

Emisión de luz. Bandas de Energía
‰ Recombinación de e- de la BC con h+ de la BV,
produciendo emisión de luz hν = Eg (λ = hc/Eg)
ƒ Para λ = 1,55 µm Eg≈ 0,8 eV
Banda de
Conducción (BC)
Banda de Valencia (BV)
E
Energía
K
Vector de Ondas
Electrones
Huecos
Fotones (hν)

Unión PN. Proceso de emisión
Energía
Electrón
Ev
Electrón en BC
Hueco en BV
n+
p
Eg hν = Eg
Unión pn+ sin polarizar
¾ estado de equilibrio sin
movimiento de portadores
Unión pn+ polarizada
directamente
¾ Se reduce la barrera de potencial y
permite el paso de e- (desde n a p)
y h+ (desde p a n) y
¾ Se producen recombinaciones e-h
con emisión de luz, en la unión
Ec
EF
p n+
eVb
eVb
Eg
+ -
V
eV
EFC
EFV

Diodo Láser
‰Además del bombeo por inyección de
electrones, un diodo láser, a diferencia del
amplificador óptico, incorpora una
realimentación óptica interna, oscilador óptico,
que resuena a una determinada/s longitudes de
onda
Bombeo
Material activo
Realimentación
Radiación
de salida

Emisión Estimulada
‰ La foto-emisión se estimula por algún proceso
externo.
ƒLleva consigo un proceso mediante el cual se produce
suficiente (superior a un umbral) población de
electrones en los niveles excitados superiores.
ƒEsta condición de inversión de población se produce
mediante bombeo: fuente de luz externa (EDFA),
inyección de portadores (DL), etc.
ƒSe produce ganancia óptica. La emisión excederá las
pérdidas (absorción, etc.).
ƒLa emisión estimulada produce luz coherente cuyo
resultado es un haz de luz directiva y en fase con la luz
incidente. E2
E1
hν12 hν12 (en fase)

Cavidad óptica
‰Adicionalmente a la inversión de población la
Oscilación LÁSER debe ser auto-mantenida.
‰Para aumentar la intensidad de la Emisión
Estimulada se debe implantar una cavidad
óptica (resonador óptico)
ƒ Proporciona una salida de radiación coherente
Longitud, L
Cavidad Fabry-Perot
Superficie semireflectante
Haz laser limitado
por difracción
Altura, H
Anchura, W

Esquema de un láser semiconductor
I corriente
Capa Activa Cara tallada
Tipo P
Tipo N
300 µm 200 µm
‰ Luz en el interior es amplificada por un factor exp
(g.L). g (I,λ): factor de amplificación de la Amplitud, L:
longitud de la región activa
‰ A partir de un cierto valor de I, se produce inversión de
población y g aumenta considerablemente (efecto láser)
‰ Capa activa, material semiconductor con Eg adecuada,
entre dos semiconductor uno tipo P y otro tipo N
tales que EFC-EFV > Eg

Ganancia óptica. InGaAsP
Temperatura ambiente
∆n: concentración de portadores inyectados
∆n= 1018 cm-3
∆n= 1,8. 1018 cm-3
0,92 0,96 eV
0
100
200
-100
1,30 λ (µm)
1,35
cm-1
Ganancia
Pérdidas
EFN-EFP
Ganancia óptica
Absorción
óptica
0
Eg
T > 0
T = 0
hν

P(I) y efecto de la Temperatura
PL(mW)
I (mA)
0 20 40 60 80
0
2
4
6
8
10
25ºC 50ºC
0ºC
ƒ Curva característica a diferentes temperaturas

Tipos de DL
‰Fabry Perot.
ƒ Oscila en varios modos longitudinales debido a la
relativamente pequeña deferencia (~ 0,1 cm-1) de la
ganancia entre modos adyacentes.
ƒ Resultado. Anchura espectral: 1- 4 nm.
¾Aceptable para algunas aplicaciones; pero no para muchas
otras.
ƒ Objetivo: reducir la anchura espectral mediante un
diseño que produzca supresión de los modos
‰Láser con Realimentación distribuida.
ƒ Un diseño tal que las pérdidas sean diferentes para
los deferente modos longitudinales
¾ DBF
¾ DFR

Diodo láser FP
Cavidad. Caras
talladas según un
plano del cristal
Cara trasera. Trat.
reflectante
250-500 µm
5-15 µm
0,1-0,2 µm
Capas de confinamiento
óptico y de portadores
Haz de salida
30-50º (φ⊥)
5-10º (φ//)
λ0
∆λ
λ(nm)
Espectro Óptico
1-4 nm
Modos longitudinales de
la cavidad óptica

Perfil de ganancia y pérdidas
G
a
n
a
n
c
i
a
Pérdidas
Modos
longitudinales Modo
láser
ƒ El modo longitudinal con las pérdidas mas bajas encuentra
antes el umbral y se convierte en el modo fundamental.
ƒ Otros modos vecinos, por sus alta pérdidas, son
discriminados.
ƒ Un DL monomodo se caracteriza por su “Razón de
Supersión de Modo”, MSR . MSR = Pmm/Psm; Pmm: potencia del
modo principal; Psm: Potencia del modo dominante. ≈ 1000 (30 dB)
Frecuencia,
ν

Diodos de Realimentación Distribuida
Capa
activa
Capas de
confinamiento
RED DE
DIFRACCIÓN
sustrato Haz de salida
‰ Estructura DFB (Distributed Feedback)
‰ Estructura DFR (Distr. Feedb. Reflector)
DFR
DFR
Región de Bombeo
Resultado:
9 Bajo Valor de la ITH
9 Anchura espectral
estrecha.
9 Gran anchura de
Banda.
9 Alta linealidad,
zona láser

Láser tipo DFB
SiO2
p InGaAsP
p InP
p InP
p InP
Sustrato n InP
p InP
CAPA ACTIVA InGaAsP
Guía-ondas n InGaAsP
‰ DFB: Distributed Feedback. Estructura con Realimentación
Distribuida mediante Red de Difracción en la Capa anexa a la
superficie activa.
ƒ Mejora la anchura espectral.

Características Ópticas
100
25 50 75
Corriente (mA)
Pot.óptica de salida (mW)
0
4
8
12
16
20
1304
Longitud de onda (nm)
1300
1296
-50
0
Pot.óptica relativa (dB)
Característica PL(I) Característica espectral

Láseres sintonizables
‰Estructura DFB y DFR multisección: activa,
de control de fase y de Bragg.
‰Cada sección se polariza independientemente
inyectando corriente
ƒ Mediante la corriente de la sección Bragg se varia
la longitud de onda de emisión, que se puede
sintonizar en un margen de 5-6 nm.
ƒ La corriente de la sección de control de fase se
usa para cambiar la fase de realimentación
procedente del reflector Bragg.
ƒ La corriente de la sección activa determina el
punto de trabajo del DL y las condiciones de
polarización.

D.L: Características
¾ Modulación
¾ Anchura de Banda
¾ Valores típicos
¾ Encapsulado

Modulación
‰Tiempo de respuesta
ƒ Velocidad de modulación
‰Tipos de modulación
ƒ Modulación digital
¾Criterios de diseño
ƒ Modulación analógica
¾Requisitos de linealidad
• Distorsión harmónica
• Distorsión de intermodulación
¾No linealidades en láseres.
‰Ruidos: modal, de partición y de reflexión

Tipos de Modulación
Señal de Salida
ANALÓGICA DIGITAL
I(mA) Tiempo
Señal de Entrada
Analógica s(t)
Digital (secuencia de “1 y “0”)
Pot. Luminosa
Tiempo
I polarización
(pedestal) I modulación
ƒ Modulación de Intensidad. Potencia de salida P(t) proporcional a
la señal de entrada (variación de la Intensidad de corriente)

Modulación analógica
IB
∆I ∆I
Pt
Corriente diodo
Potencia
de
salida
LED
IB
ITH
∆I
∆I
Pt
LD
Entrada. Señal eléctrica: s(t)
Salida. Potencia óptica P(t) = Pt[1 + m s(t)]
m (profundidad de modulación) = ∆I/I´B. (0,25 - 0,5 )
Led: I´B=IB. LD: I´B=IB - ITH

No linealidad. Distorsión
‰ La no linealidad de la región de trabajo de la curva
característica P(I) genera distorsión en la señal de
salida P(t).
ƒ Se genera componentes de frecuencia no incluidas en la señal
original.
‰ Distorsión harmónica. Una señal de entrada: x(t) =
Acos ωt, resulta a la salida:
ƒ y(t)= Ao + A1 cos ωt + A2 cos 2ωt + A3 cos 3ωt
‰ Distorsión de intermodulación. La suma de dos
frecuencia: x(t)= A1 cos ω1t + A2 cos ω2t resulta
¾y(t) = Σ Bmn cos(m ω1 + n ω2)
• m y n: 0, ± 1, ± 2, ± 3
• m+n (valores absolutos) determina el orden de
distorsión de intermodulación
¾ω1 y ω2 generan: ω2- ω1; ω2+ ω1; ω2- 2 ω1; ω2+ 2ω1; ….
Keiser pag 177

Respuesta en Frecuencia
-10.0
0
2.5
5.0
Respuesta (dB)
-2.5
-5.0
-7.5
5.0
2.5 7.5 10.0 12.5
4.2 7.5 11.1
Frecuencia (GHz)
I/ITH=3.33
I/ITH=1.67
I/ITH=1.17
T= 25 ºC

Comportamiento dinámico
Secuencia de impulsos ópticos: 111110101010

Valores típicos. Fibras SM
Ruido (Aplic. Analógica)
0.01 - 5
nm
Anchura espectral
Disponible según modelos
Termistor disponible
Enfriador disponible
1-20
GHz
Anchura de Banda
Fotodiodo monitor disponible
-20 a +60
ºC
Temperatura de operación
1300 ±20
1530 ±20
nm
Longitud de onda
20-40
mA
Corriente de modulación
10-40
mA
Corriente Umbral
1
mW
Pot. Max acoplada
Valor
Unidades
Parámetro

Módulo laser
Diodo Laser montado sobre un disipador de calor
Fotodiodo pin
Extremo desnudo de la fibra.,
cuya cara se enfrenta al
diodo laser
Cuerpo disipador
de calor
Termistor de
precisión
Enfriador
termoeléctrico
Latiguillo de fibra, que se
termina en conector
14 Terminales Eléctricos

Módulos LASER
14-pin. Tipo Mariposa
(Butterfly)
14-pin. Tipo DIL
Aislador
Entrada RF
11-pin. Tipo SIP

Otros encapsulados comerciales
Receptáculo para conector
FC con láser y Monitor
Módulo 4 terminales con
Laser, Monitor y Fibra.

Transmisor Óptico
‰ Un transmisor óptico incorpora la fuente de luz y los
circuitos necesarios para hacer trabajar al diodo
emisor en condiciones estables de modulación a lo
largo del ciclo de vida del sistema de donde forma
parte. Consta, en general:
ƒ Circuito de polarización. Fija la corriente (pedestal) sobre
la cual se añade la corriente de modulación
ƒ Circuito de modulación. Proporciona la corriente de la señal.
ƒ Circuito de control de temperatura. En su caso, proporciona
una corriente a un dispositivo enfriador para mantener
constante la temperatura del diodo
‰ La curva característica L(I) depende básicamente de
dos factores:
ƒ Temperatura de Operación
ƒ Envejecimiento.
¾ Un LD se considera “muerto” cuando la ITH se ha duplicado
respecto a las condiciones originales.

Transmisor Óptico
Señal
Eléctrica
LD
(o LED)
ILASER= IMODULACIÓN+ IPEDESTAL
(ILED= IMODULACIÓN)
F.O Señal Óptica

Control de Potencia
Control
IP
Limitador
de IP
Alarma
Control de
Temperatura
Sensor
Temp. diodo
Enfriador
Alarma
Dispositivo
Emisor
Circuito
Conformador
de Impulsos
Circuito
Modulador
Control
IM
Referencia
Fotodiodo
Monitor
Necesario
en caso de
LASER
IE
Ip
IM

Control indirecto de Potencia
Sensor
Temperatura
Dispositivo
Emisor
Circuito
Conformador
de Impulsos
Circuito
Modulador
Control
IM
Referencia
Control
Ip
Limitador
de Ip
Necesario en caso de LASER
¾Solo varía la Ipedestal en función de la temperatura
¾No con otros factores: envejecimiento, etc.
IM ITH

Conversión E/O
‰ Fotodetectores. Tipos
‰ Fotodetección
‰ RX óptico

Absorción de la luz
‰ Al penetrar la luz en un medio absorbente su potencia
inicial, P0, disminuye con la distancia, x: P(x)= P0 e -α x
α(λ): coeficiente de absorción; depende de λ
¾ La potencia absorbida en x sería: Pa(x)= P0 (1- e -α(λ) x)
‰ Requisitos:
1. Energía del fotón, h ν, tiene que ser igual o mayor que Eg; ó λ
≤ λc = hc/Eg
9 λc: longitud de onda de corte. λc (µm) = 1,24 /Eg (eV)
2. α(λ) no demasiado grande para que pueda penetrar la luz en la zona
activa.
9 Limita el valor mínimo de λ
Eg
E2
E1
-
-
hν
-
ƒ Un electrón en el estado E1 absorbe energía del
fotón incidente y es excitado al estado E2.
ƒ Se crean pares e- y h+ , portadores, capaces de
moverse por acción de un campo eléctrico creando
corriente eléctrica en un circuito externo

Absorción en semiconductores
‰ Representación E(K) de la absorción para materiales
semiconductores: a) gap directo y b) gap indirecto
ƒ En el caso a) toda la energía absorbida se transforma en la
creación de pares e- h+
ƒ En el caso b) parte de dicha energía se transforma en
vibración de la red cristalina (fonón)
E
BC
BV
k
–k
EC
Gap
directo EV
Eg Fotón
a) GaAs (gap directo)
E
Fotón
Fonón
Eg
EC
EV
k
–k
Gap
indirecto
BV
BC
a) Si (gap indirecto)

Parámetros de la conversión O/E
‰ Eficiencia cuántica (η)
ƒ Número de pares electrón-hueco generados por
fotón hν incidente
ƒ η= (If/e)/(P0/ hν )
‰ Responsividad (ℜ)
ƒ Relación entre la corriente generada y la potencia
luminosa.
¾ℜ=If/P0 = ηe/ hν = η/ (hν/e) = η (e/ hc) λ (A/W)
ƒ Valores típicos: 0.65 µA/µW (Si a 900 nm);
0,45 µA/µW (Ge a 1,3 µm); 0.6 µA/µW (InGaAs a
1,3 µm).

Reponsividad Espectral
Ef. Cuánticas
(η)
Si
Ge
InGaAs
Reponsividad
Espectral
(A/W)
Longitud de onda (µm)

ℜ (A/W)
λ (nm)
0 200 400 600 800 1000 1200
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Fotodiodo de Si
λc
Fotodiodo Ideal
Ef.Cuant = 100%
(η=1)
Si. Responsividad Espectral
ℜ= η (e/hc) λ
Fotodiodo ideal.
η=cte ⇒ ℜ∝ λ
¾Margen de trabajo λmin ≤ λ ≤ λc λmin, limitado por α
grande
¾λpico: λ cuya ℜ es máxima

Materiales para fotodiodos (1)
0.7
1.1
0,4 -1.1
Si
0.85
0.8
0.6 - 0.8
Responsividad
(A/W)
0.72
0,8 -1.7
1.24 - 0.73
1.00-1.7
1.35 - 0.75
0,92-1,67
Gap Energía
Eg (eV)
λ (µm)
Ge
AlxGa1-x AsySb1-y
/GaSb
GaxIn1-xAsyP1-y
/InP

Materiales para fotodiodos (2)
0.6
0.8
0.6 - 0.8
Responsividad
(A/W)
0.95
1.30
0.75
1,67
1.35 -0.75
0,92 - 1,67
Gap Energía
Eg (eV)
λ (µm)
Ga0.27In0.27As0.40P0.60/
InP
Ga0.47In0.53As
/InP
GaxIn1-xAsyP1-y
/InP
Compuesto/
Sustrato

Tipos de Fotodiodos

ρneta
eNd
E(x)
Eo
eNa
x
W
x
Electrodo Electrodo
SiO2
Vr
hν
>Eg
r
Vs
If R
e-
h+
- +
PIN (de Silicio)
ƒ Estructura p i n
ƒ Distribución de la
Densidad neta de Cargas.
ƒ Distribución del Campo
Eléctrico.
ƒ Diodo polarizado
inversamente y corriente
fotogenerada en el
circuito externo
i- Si n+
p+

APD. Funcionamiento Interno
SiO2
Electrodo
ρneta
E(x)
R
p+
x
x
E
p
–
n+ e-
h+
Región de
absorción
Región de
avalancha
Electrodo
hν > Eg
If
i (π)
‰ Esquema de la
estructura de un
APD, polarización,
incluyendo
Resistencia de
Carga RL
‰ Distribución de
cargas ρ(x) a
través de la
estructura.
‰ Campo Eléctrico
producido por la
ρ(x)
Vr

Región de Avalancha
(a) (b)
E
i
n+ p
h+
e-
E e-
h+
Ec
Ev
a) Proceso de ionización por impacto. Los electrones
fotogenerados se aceleran por el campo intenso
existente, al impactar generan nuevos e- y h+.
b) Proceso de Avalancha. Los electrones de la BV son
excitados, saltan a la BC, adquieren suficiente energía
cinética, choca con la estructura cristalina
produciendo nuevos electrones y así el efecto de
multiplicación
Fenómeno de Multiplicación

APD. Factor de Multiplicación
Factor
de
Multiplicación,
M
Voltaje (relativo) de Polarización

Fotodetección

Fotodetección. Proceso
SEÑAL DE
SALIDA
+
RUIDO
SEÑAL DE
ENTRADA
Conversión
O/E
(η); (ℜ)
if
Mecanismo de
Multiplicación.
Ganancia
Interacción
cto
exterior
M RC
Corriente de
oscuridad, ID
Luz
ambiente,
PB
Exceso
de ruido
F M
Ruido térmico
Fase I Fase II Fase III

Factor de Exceso de ruido, F
‰El parametro F se puede aproximar:
F= Mx
X tiene los siguientes valores:
ƒ 0.3 para el Si
ƒ 0.7 para el InGaAs
ƒ 1.0 para el Ge
ƒ Keiser pag 264

Circuito Equivalente
Salida
Fotodiodo
Tensión de
Polarización
P(t)
RL
AMP
hν
Fotodiodo
hν
Cd
RL RA
CA
RS
AMP
‰ Modelo simple de Receptor
Óptico
‰ Circuito Equivalente
Cd: Capacidad del diodo: unión y encapsulado; Rs: Pequeña Resistencia
serie del diodo; RL: Resistencia de carga/polarización;
RA y CA: Resistencia y Capacidad de entrada del Pre-Amplificador

Señal
‰ La señal de entrada, P(t), potencia óptica
incidente en el fotodetector, genera una
fotocorriente primaria if (t).
if (t) = (η e/hν) P(t).
ƒ Dicha fotocorriente tiene una componente dc, IP, valor medio
de la corriente generada por la señal óptica, y una
componente de la señal cuyo valor cuadrático medio es:
¾ Diodo pin
¾ APD
2
2
,
2
2
)
( M
t
i
i f
APD
s
s =
= σ
)
(
2
,
2
2
t
i
i f
pin
s
s =
= σ
M: factor de multiplicación, el valor medio de la ganancia de
avalancha, que varía estadísticamente

Fuentes de Ruido
‰ Ruido Cuántico
‰ Luz Ambiental
‰ Corriente de Oscuridad
‰ Corriente de fuga
‰ Ruido Térmico

Ruido cuántico o impulsivo
‰ Se deriva de la naturaleza estadística (ley de Poisson)
en la producción y recogida de los electrones
generados por la señal luminosa incidente en el
fotodetector.
)
(
2 2
2
2
M
F
M
B
I
e
i P
Q
Q =
= σ
ƒ El factor exceso de ruido de avalancha se puede
expresar: F(M) ≈ Mx ( 0≤ x ≤1)
ƒ Valores experimentales de x:
0.3 para el Si; 0.7 para el InGaAs y 1 para el Ge.
ƒ En el caso de un fotodiodo PIN: M=F=1

Corriente de Oscuridad
‰ Los electrones y/o huecos que se generan
térmicamente en la unión pn del fotodiodo dan lugar
a una corriente, ID, en ausencia de luz incidente.
‰ El valor cuadrático medio viene dado por
‰ Existe también una pequeña corriente de oscuridad de
fuga, IL, que depende de defectos superficiales,
limpieza, voltaje de polarización y área de la superficie
del detector.
ƒSu efecto se reduce mediante una estructura de anillo de
guarda que evita que esta corriente circule por la RL
ƒEl valor cuadrático medio viene dado por
)
(
2 2
2
2
M
F
M
B
I
e
i D
D
D =
= σ
B
I
e
i L
DS
DS 2
2
2
=
= σ

Ruido Térmico
‰ Ruido generado por la resistencia equivalente que
tiene en cuenta la RL y la resistencia de entrada del
circuito del pre-amplificador.
‰ Su valor viene dado por la corriente de ruido térmico
de Johnson.
B
R
T
k
i
eq
B
T
T
4
2
2
=
= σ
KB : Constante de Boltzmann (1.380 10-23 Jul/0K)
T: Temperatura en 0K
‰ Generalmente Req es aproximadamente igual a RL, ya
que la resistencia de entrada del pre-amplificador
suele ser grande.

Diodo PIN. Relación S/R
eq
D
P
f
R
B
T
k
B
I
I
e
i
SNR
/
4
)
(
2
2
+
+
=
if= (e/hν) η P(t) : Fotocorriente
P(t): Señal de Potencia luminosa incidente
η: eficiencia cuántica; ν: frecuencia de la radiación
e: carga del electrón (1.6 10-19 culombios)
h: constante de Plank (6,625. 10-34 Jul.seg)
k: constante de Boltzmann (1,38·10 –23 Jul/0K)
IP:Valor medio de if(t)
ID: Corriente de oscuridad; B: Anchura de Banda de la señal
T: Temperatura (0K); Req: Resistencia equivalente: RL(carga) en
paralelo con Rentrada del pre-amplificador del receptor (Front end)

Diodo APD. Relación S/R
eq
B
L
D
P
f
R
B
T
k
I
B
e
M
F
M
I
I
B
e
M
i
SNR
/
4
2
)
(
)
(
2 2
2
2
+
+
+
=
F(M): Factor de Exceso de Ruido, asociado al proceso de
multiplicación.
F=Mx
M: Ganancia de avalancha
ƒ Existe una ganancia óptima, valor de M para el máximo valor de
SNR. Considerando una señal modulada sinusoidalmente, con un
índice de modulación m=1, se obtiene:
)
(
/
4
2
2
D
P
L
B
L
x
opt
I
I
e
x
R
T
k
eI
M
+
+
=
+

Sensibilidad
‰ Potencia media mínima, PLmin, de la señal luminosa para
asegurar una determinada S/R
PB = Potencia luminosa ambiental.
En el caso de señales digitales, incluye la potencia de pedestal

Tasa de Error (BER) vs Relación S/R
Tasa
de
Error,
BER
Relación Señal-
Ruido (dB)

Sensibilidad en NFB
NFB: N0 de fotones por bit
υ
h
V
S
NFB =
S: Sensibilidad expresada en watios.
V: velocidad binaria de la señal (bit/s)
h: constante de Plank
ν: frecuencia de la luz

Sensibilidad, NFB vs Velocidad
Velocidad
(Mb/s)
Sensibilidad
(dBm)
BER= 10-9
S/R= 22 dB

Encapsulados

Receptores Ópticos:
ƒ Topologías para el Pre-Amplificador
ƒ Ventajas e inconvenientes
ƒ Diagrama de Bloques
ƒ Penalty por dispersión

Topologías de Pre-amplificadores
‰ Alta impedancia
‰ Transimpedancia
Req >>
Rf
Req
Ceq

Pre-Amp: Trans-Impedancia
Req. Ceq ≤ T. T Anchura de los impulsos.
¾La anchura de Banda del filtro Req Ceq se
ajusta a la B requerida por la señal digital
If(t)
Pl(t)
Ceq
AV
Rf
V0(t)
T

Pros y Cons
‰ PROS. El valor de la Req se puede mantener
en niveles pequeños para que la constante de
tiempo Ceq.Req sea menor que la anchura del
bit.
ƒ La anchura de banda de la señal no se ve
recortada en el receptor.
¾NO SE NECESITA ECUALIZADOR.
ƒ Al ser el valor de Req pequeño el nivel de la
tensión se mantiene en un nivel bajo, por tanto,
admite potencias incidente altas sin saturar al
circuito Pre-amplificador
¾PRESENTA UN AMPLIO MARGEN DINÁMICO.
‰ CONS. Bajo Req ⇒ Elevado ruido térmico
ƒ SENSIBILIDAD NO OPTIMIZADA

Pre-Amp: Alta Impedancia
Req . Ceq > T (Req.Ceq ≈ 2-3 T)
If(t)
Pl(t)
Req
AV
Ceq
CD
RD V0(t)
T
¾ El fotodetector encuentra una alta impedancia Req y
reduce la anchura de banda del Pre-Amplificador.
9Mejora la sensibilidad

Pros y Cons
‰ PROS. Presenta un valor elevado de la Req ⇒
Bajo ruido térmico.
ƒ SENSIBILIDAD OPTIMIZADA.
‰ CONS. El filtro Req Ceq recorta la anchura de
banda de la señal (disminuye el ruido)
¾SE NECESITA ECUALIZADOR.
ƒ Al ser el valor de Req alto el nivel de la tensión se
mantiene en un nivel alto, por tanto, para
potencias incidente mas altas podría saturar al
circuito Pre-amplificador
¾PEQUEÑO O MODERADO MARGEN DINÁMICO.

Receptor óptico
‰ Funciones:
ƒ Conversión O/E.
ƒ Regeneración de la señal
¾Amplificación Eléctrica
¾Extracción de Reloj. Resincronización
¾Formateo de los impulsos
ƒ Supervisión

Receptor Óptico Digital
Control de la
polarización
Control Automático
de Ganancia
Extracción
Reloj. PLL
Fotodiodo
(APD)
Ecualizador
Pre-
Amplificador Amplificador
Principal
Señal
luminosa Regenerador
Circ. Decisión
datos
Reloj
DECODIFCADOR
Impulso
recibido Impulso
regenerado
Función 3R: Re-amplifica, Re-formatea, Re-sincroniza

Receptor Óptico. Diagrama de Bloques
PRE-A AMP
CAG
PRE-A: Pre Amplificador
AMP: Amplificador Principal
CAG: Control Automático de Ganancia
COM: Circuito conformador de impulsos. Circuito de Decisión
SUP: Circuito de Supervisión
AL: Alarma. (p.e pérdida de Señal Óptica)
EXTRACCION
RELOJ
COM
AL
SEÑAL
ÓPTICA
Datos
Reloj
SUP

Medida de la Sensibilidad
‰Ejemplo: Sistema a 2.48 Gbit/s
Generador de
Impulsos
TX AO
Atenuador
+/o fibra
RX
Detector de
Errores
NRZ-
PRBS 220-1
2.488320
Gb/s
Psalida: 0.4 dBm
λ: 1550 nm
Laser DFB MQW
EDFA
Psalida: 10 dBm
PRBS: Secuencia
binaria seudoaleatoria
Datos

10-11 10-9 10-7 10-5 10-3
-55
-57
-59
-53
BER
100
200
400
800
BER vs Potencia Recibida
‰ Curva experimental obtenida en un sistema de 34 Mb/s
Potencia
Recibida
(dBm)
Fotones
por
bit
Sensibilidad, BER= 10-9:
400 fotones por bit

Sensibilidad vs Dispersión Fibra
‰ Sistema de 140 Mbit/s.
ƒ Duración de bit= 7,1 ns
ƒ Formato RZ (CT: 25 %). Anchura del impulso
T1=3,6 ns
0
0,6
5
-49
-48,4
-44
0
2
6
Penalty
(dB)
Sensibilidad (dBm)
(BER: 10-9)
Dispersión Fibra
(ns)

Penalty por dispersión.
‰ Debido a la limitada anchura de banda de la fibras,
particularmente, multimodo, la longitud de un enlace
puede estar también limitado por la velocidad de
transmisión del sistema.
‰ Cuando la anchura del impulso que llega al receptor es
mayor que el tiempo de bit (T), se produce un
solapamiento entre impulsos adyacentes o
Interferencia entre Símbolos (ISI) que produce una
degradación del BER, reduciendo la sensibilidad del
RX.
‰ Para compensar este efecto se procede a ecualizar la
señal en el receptor.
ƒ Este proceso requiere de una potencia adicional que se
denomina penalización o penalty por dispersión

Penalty por dispersión. Cuantificación
‰ El penalty por dispersión, PD (dB), depende de la
Anchura de los impulsos luminosos recibido en el RX
en relación con la duración del bit (T).
1.5 2.0 2.5
5
10
15 Penalty (dB)
Anchura del Impulso/T
1.0
0

Enlace P2P

Niveles de Potencia Óptica
TX. Potencia Max
TX. Potencia Min
RX. Potencia Max
RX. Sensibilidad
MÁXIMA
ATENUACIÓN
MÍNIMA
ATENUACIÓN
Rango dinámico RX
RX. Potencia Min
Margen de seguridad
RX. Sensibilidad con F.O
Penalty

Vano de Repetición. Cálculo
)
/
(
)
/
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
km
dB
P
km
dB
At
dB
P
dB
M
dB
P
dBm
S
dBm
P
km
L
emp
F
D
con
RX
mTX
+
−
−
−
−
=
ƒ Longitud del vano teniendo en cuenta la dispersión de
la fibra
PmTX: Potencia media de salida del TX óptico, dBm.
SRX: Sensibilidad del RX, dBm.
Pcon: Perdidas en conectores, dB.
M: Margen de seguridad del sistema, dB.
AtF: Atenuación fibra, dB/km.
Pemp: Pérdidas por km debido a empalmes, dB/km
PD: Penalty por dispersión, dB. Depende de la duración del
bit que disminuye con la Velocidad de Transmisión

Balance de Potencia. Factores
9.
9.
9.
Form.
señal
9.
BER
9.
9.
9.
9.
9.
9.
9.
9.
9.
9.
9.
9.
9.
9.
9.
9.
PmTX
SRX
PD
Pérdidas
AtF
Pcon
Pemp
Veloc.
Long.
onda
Tipo
RX
Tipo
Detec.
Tipo
Fuente
Tipo
Fibra
Parámet
ros

Ejemplo
1
Longitud sección del cable (km)
1500 nm (3ª ventana)
Laser (∆λ = 0,1 nm)
Monomodo
0.15
15 (1,5 ps/km)
0,1
PIN-FET
Longitud de Onda
Tipo de fuente de luz
Tipo de fibra
Atenuación (dB/km)
Dispersión (ps/km.nm)
Pérdidas por empalme (dB)
Tipo de detector
CARACTERIZACIÓN DEL ENLACE
Optimizado en Sensibilidad
RX
TX. Formato de señal: NRZ seudoaleatorio
Anchura del impulso= T , CT: 50 %

Vano entre Repetidores
BALANCE DE POTENCIAS
51
89
Distancia entre Repetidores (km)
6,5
2,5
Penalización por dispersión (dB)
19,2
25,2
Margen disponible
2
2
Pérdidas de conectores
-24,2
-30,2
Sensibilidad RX (dBm) (3000 FPB)
6
6
Margen de Seguridad
3
3
Potencia TX (dBm)
10
(0,1)
2,5
(0,4)
Velocidad (Gb/s)
(Duración del bit, ns)

FIN

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