Análisis Interactivo de Fotodetectores en Enlaces Ópticos – Estudio del Fotodetector PIN
A lo largo de mis publicaciones referentes a los sistemas que emplean medios de transmisión guiados, hemos podido explorar la arquitectura que compone el complejo de comunicaciones, destacando más específicamente los sistemas de fibra óptica en su etapa de transmisión (Tx). En esta oportunidad se analizará un componente indispensable para captar las señales ópticas en la etapa de recepción (Rx).
En concreto les estaré hablando de los dispositivos encargados de convertir la energía óptica proveniente de una fibra en energía eléctrica. Los detectores ópticos o fotodetectores, son una de las piezas claves en la etapa de recepción de un enlace, gracias a su implementación es posible recuperar la información contenida en los haces luminosos que inciden en estas interfaces; en principio un fotodetector es capaz de convertir haces de luz en “pulsaciones eléctricas resultantes”.
Esta presentación corresponde a una secuela de la serie: “Fuentes Ópticas” PARTE I, II y III la cual publiqué hace un tiempo. En esa oportunidad exploramos los principios que gobernaban la emisión de los haces luminosos en dichas fuentes, entendiéndose estas como los elementos activos de la etapa de transmisión, en el presente texto el escenario cambia un poco, nuestro interés estará centrado en la etapa de recepción; los fotodetectores cumplen la función opuesta de las fuentes, es decir, a partir de la energía óptica incidente veremos cómo se da esa transición de óptico a eléctrico.
En mi más reciente publicación, les hablaba sobre los medios de transmisión “no guiados”, detallando claramente el principio de emisión de una antena; para el caso de un receptor óptico, evidentemente las variables involucradas difieren un poco pues estamos en presencia de un medio de transmisión muy diferente, a pesar de que para cada caso el funcionamiento de los sistemas se valgan del modelo electromagnético. Para entender el funcionamiento de un fotodectector estudiaremos las diferencias entre la detección de un sistema de comunicaciones por radio y la detección propiamente dicha de una señal óptica guida por fibra.
Imagen 1 – Esquema de recepción para un sistema radioeléctrico – Elaboración propia
En un sistema gobernado por la transmisión de ondas de radio, se tiene el campo electromagnético propagado que oscila a frecuencias del orden de las microondas cuyos valores máximos alcanzan hasta apenas unos pocos Gigahertz; este campo incide sobre la antena y tras el equipo o circuito receptor adecuado es posible recuperar una corriente que sigue las fluctuaciones temporales del campo electromagnético radiado. Esta es la gran diferencia que existe con la detección óptica, pues el campo electromagnético para las señales de este tipo oscila a frecuencias sumamente elevadas, rebasando con creces varios centenares de Terahertz.
Imagen 2 – Esquema de recepción para un sistema óptico – Elaboración propia
Tipos de detectores ópticos
Los detectores ópticos operan en función de ciertas variables, por ejemplo, se plantea en primer lugar:Los detectores térmicos : estos absorben la energía óptica y cambian su temperatura. Al ocurrir estas variaciones se producen alteraciones en las propiedades de los materiales que componen al detector. Las alteraciones sufridas por las fluctuaciones en la temperatura corresponden a magnitudes que pueden ser medidas de forma externa.
El bolómetro por ejemplo, cambia su resistencia eléctrica; los materiales piroeléctricos cambian su capacitancia.
El problema con los detectores térmicos es que los tiempos de respuestas comprenden una alta latencia, siendo no viables para su implementación en las comunicaciones. A nivel de recepción es muy importante que los dispositivos presentes cuenten con prestaciones óptimas para desempeñar su función, de lo contrario la comunicación se verá comprometida.
Por otro lado, Los Fotodetectores absorben la potencia a su entrada en forma de flujo de fotones convirtiéndola en una fotocorriente a su salida. Los tiempos de respuestas son mucho más rápidos y por tanto su uso en las comunicaciones resulta más apropiado.
A razón de lo anterior, se afirma que en la actualidad El Fotodiodo es el detector más común para el diseño y construcción de los receptores ópticos.
Su estructura se caracteriza por ser una unión p-n polarizada con tensión inversa, por lo tanto, el protagonismo de materiales semiconductores se ha de notar.
Imagen 3 -- Distribuida bajo licencia CC0 – Fuente
Generalidades de la mecánica cuántica
El hecho de que las señales tratadas por los detectores sean paquetes de “luz” o luz simplemente, automáticamente caemos en cuenta de los principios de la mecánica cuántica, y es que para hablar de la absorción de la señal óptica que incide sobre el fotodetector, es importante asumir “La dualidad onda-partícula”, la cual comprende los átomos o electrones que constituyen un material así como los efectos consecuentes de la radiación electromagnética.
Entonces al hablar de una señal, podemos analizarla en función de su campo electromagnético o dicho de otra forma, analizar la señal en términos de ondas.
Este campo se escribe como una función envolvente multiplicada por la función coseno cuyo argumento contempla la frecuencia y el tiempo de dicha señal.
Como se decía anteriormente, la potencia media se calcula como una proporción de la envolvente al cuadrado de la señal transmitida.
Imagen 4 – Equivalente de un campo eléctrico en función de un flujo de fotones -- Elaboración Propia
Ahora bien, ¿Cómo se puede representar todo esto en términos de partículas?
Para hablar del equivalente de la radiación electromagnética en función de “partículas”, se considera un flujo de fotones Q(t). El flujo corresponde a un promedio de fotones transmitidos por unidad de tiempo, en donde la potencia media equivale al producto de Q(t) por la energía correspondiente de cada fotón:
Esta energía es el producto de la constante de Planck h y la frecuencia v.
Fotodetector PIN
Imagen 5 – Representación de un fotodetector en unión PN -- Elaboración Propia
Vistas las premisas de las nociones cuánticas implicadas, veremos como este concepto de flujo de fotones es aplicado a la estructura o arreglo de semiconductores. En este apartado hablaremos de la disposición PIN de un fotodetector.
El principio de un fotodiodo PIN es el mismo que el de una unión p-n polarizada con tensión inversa, recordar de la teoría fundamental de los semiconductores que, un material tipo p tiene un exceso de huecos, los cuales son sus portadores mayoritarios, al combinarlo con un material tipo n cuyos portadores mayoritarios son los electrones, se produce una difusión de huecos hacia la zona “n” y de electrones hacia la zona p, consecuencia de ello hay una acumulación de carga negativa en esta zona y positiva en la zona n. para cuando existe equilibrio entre estos materiales aparece una barrera de potencial que evita dicha difusión; en una unión p-n polarizada con tensión inversa lo que se hace es aumentar esta barrera de potencial, lo cual representa el proceso contrario aplicado a las fuentes ópticas.
Al aumentar esta barrera, aparece un campo eléctrico muy intenso, específicamente en la zona intermedia entre los materiales. Esta zona lleva por nombre “zona de carga de espacio” y es un área desprovista de portadores libres y cuya anchura dependerá de la tensión aplicada a la unión p-n.
La unión p-n polarizada con tensión inversa será el detector óptico, el cual estará encargado de recuperar la información a partir de la señal recibida.
Este arreglo en el semiconductor debe estar recubierto por una sustancia o capa antireflectante para que el mínimo de luz sea reflejada hacia afuera y así la mayor cantidad de luz entre por el material tipo p, además el material tipo p debe ser transparente, esto con la intención de que la mayor porción de luz llegue a la zona desprovista de portadores libres (zona del campo eléctrico).
Los fotones atravesaran la zona p sin sufrir absorción y llegarán a la zona de carga de espacio donde serán absorbidos. La energía de un fotón la utiliza un electrón en la banda de valencia para pasar a la banda de conducción y de esa forma generar un hueco en la banda de valencia y aparecer como electrón portador libre en la banda de conducción. Cada fotón por tanto da lugar a un par electrón-hueco en la zona de carga de espacio, donde debido al campo eléctrico presente, los portadores libres son arrastrados para formar parte de la corriente del circuito eléctrico.
Imagen 6 –Respuesta ideal de un fotodetector -- Elaboración propia
El modelo de los detectores ópticos “ideales” establece que para cada fotón incidente dará lugar a un electrón a la corriente generada, recuperando así los datos que fueron enviados originalmente, pero como todo en la vida, nada puede ser tan fácil… En la práctica, no todos los fotones darán lugar a electrones contribuyentes en la corriente, es decir, para un conjunto de fotones tendremos un número de electrones resultantes un tanto menor. La magnitud que define que tan optima será esta relación de fotones y electrones será la “eficiencia cuántica”:
El término del numerador corresponde al número de electrones generados por la corriente y el denominador indica el número de fotones incidentes en el fotodetector.
Como ya se ha de intuir, una eficiencia cuántica ideal debe ser igual a 1, para el caso de un detector óptico real este valor está por debajo de la unidad.
Para calcular la fotocorriente generada, consideramos el producto de la carga del electrón por la eficiencia cuántica y el flujo de fotones medio:
Calculando la eficiencia cuántica
La imagen 7 nos ayudara a comprender de una forma bastante clara lo que ocurre una vez que es aplicada una potencia al material semiconductor, esta grafica ilustra los fotones por unidad de tiempo que se absorben, especificando en cada “zona” del fotodetector la porción luz correspondiente:
Imagen 7 – Diagrama de la potencia en cada zona del fotodetector -- Elaboración propia
En primera instancia, una potencia P penetra al material tipo p, como he venido explicando en mis artículos, al darse este “choque” existirá reflexión, por tanto la potencia en este punto (la que entra en el material) se cuantifica como: P(1-R). Como decía anteriormente el material debe ser transparente para que no absorba nada de la radiación incidente, en palabras un poco más técnicas, se podría decir que la banda prohibida del material tipo p debe ser mayor que la energía de los fotones incidentes. A lo largo del material tipo p la potencia se mantendrá constante (línea recta horizontal en la gráfica) hasta encontrarse en la zona de carga de espacio, pues es aquí donde se producirá la absorción de fotones, este proceso de absorción lo escribimos como α, dicho coeficiente decaerá a razón de la función exponencial e^- αx (la x representa la dirección de propagación de la luz). La anchura de la zona de carga de espacio está definida como W, por tanto la potencia que ha decaído será igual a e^- αw. Ahora bien, para calcular los fotones por unidad de tiempo en la zona de carga de espacio se tiene que:
Se ha divido la potencia que llega a ese punto por la energía de un foto (hv). Siguiendo el recorrido de la figura, vemos que se deben restar los fotones que quedan a la salida de esta zona, es decir, la resta de estos términos equivaldrá a los fotones por unidad de tiempo que han sido absorbidos:
Restando ambas expresiones obtenemos el número total de fotones absorbidos por unidad de tiempo:
Con esta expresión es posible calcular la eficiencia cuántica, concretamente una eficiencia estará definida por el número de electrones generados suponiendo que todos los fotones absorbidos han dado lugar a un electrón en la corriente, en estas condiciones la eficiencia se expresará como:
La expresión resultante nos define la eficiencia cuántica. Para que nuestro dispositivo sea “eficiente” los valores de este cálculo deben aproximarse a la unidad y para ello se consideran ciertos aspectos:
-La reflectividad R del material debe ser lo más pequeña posible, esto se logra recubriendo al material con una sustancia antireflectante como se dijo anteriormente.
-El valor de la exponencial tiene que ser lo más pequeño posible, por tanto αW deben tender a infinito. La variable a manipular será W porque α (coeficiente de absorción del material) no varía. El valor de W en una unión p-n se ubica por el orden inferior a una fracción de micra lo cual es muy poco si se desean obtener eficiencias cuantimás optimas, para solventar esto, se añade otra zona (y he aquí la clave del detector PIN), esta se ubica entre el material p y n y se denomina “Zona intrínseca” cuyo W alcanza las 10 micras, de allí el nombre de “PIN”, es decir, es una unión p-n pero con una zona extra entre cada material.
Imagen 7.1 – Estructura del fotodetector PIN -- Elaboración propia
Esta nueva zona es una región amplia, la tensión aplicada en los extremos del detector cae en gran medida en los bordes de la zona intrínseca y es aquí donde se generarán la mayoría de los pares electrón-hueco que contribuirán a la corriente; la constitución de la zona intrínseca está basada en un material semiconductor puro sin dopaje, teniendo así una resistividad muy alta.
Consideraciones Adicionales
Hasta el momento se ha descrito el principio de funcionamiento de un fotodetector empleado en un sistema de comunicaciones, enfocándonos principalmente en el proceso de transición óptico-eléctrico. No obstante, y ampliando el abanico de fenómenos que suceden en el interior de estos dispositivos, existen ciertas implicaciones un tanto más profundas desde el punto de vista del estudio.
Concretamente, existen varios tipos de corrientes circulando en el interior de la estructura conocidas como: “corrientes de arrastre”, “corriente de difusión”. Para efectos de este texto, se destaca “la corriente de oscuridad” (CO), la cual es una corriente que se sumara a la fotocorriente generada; su concepción es un tanto curiosa pues es una forma de energía presente que existe aun si no hubiese luz incidente sobre el detector. La corriente de oscuridad se corresponde con la corriente inversa de un diodo y se genera por la consecuencia de fluctuaciones térmicas en el material semiconductor, y son estas fluctuaciones de portadores las que producen este pequeño flujo de corriente adicional. No obstante, la CO varia de forma continua, lo que significa que será fácilmente removible de la fotocorriente que confina la señal original, cabe mencionar además que su presencia involucra una fuente de ruido asociado.
Responsividad de un Fotodetector PIN
Hemos llegado a un apartado muy importante, y es que el éxito de un sistema completo, estará en que tan bien “responde” el detector a las potencias incidentes, esto afectará en gran medida la interpretación de los datos en la etapa de recepción. La Responsividad está definida como el factor de proporción que relaciona la potencia incidente y la fotocorriente generada. Recordar que el flujo de fotones esta relacionado con la potencia de la radiación incidente en el detector mediante el factor de energía de cada fotón, por tanto para escribir la responsividad sustituimos la relación de la corriente y el flujo de fotones en cuestión (definido por la eficiencia cuántica):
Como se aprecia la responsividad R contiene información muy parecida a la que denota la eficiencia cuántica, pero en este caso aparece información de la frecuencia de forma implícita, pues se visualiza en la formula la carga del electrón (e) y la constante de Planck (h).
Para fotodetectores ideales, las eficiencias cuánticas alcanzan el valor de la unidad, en este caso la responsividad expresada en términos de la longitud de onda presentará un comportamiento lineal (ver imagen 9). Para una eficiencia cuántica real, se le añade un término “ni” (eficiencia cuántica interna) el cual indica que no todos los fotones serán absorbidos para dar lugar a un electrón en la zona de carga de espacio.
Sustituyendo se tiene entonces:
La responsividad para detectores reales de silicio, germanio, arseniuro de galio con indio y fosforo presentan dependencias espectrales con las longitudes de ondas (ver imagen 9).
Imagen 9 – Dependencia de la responsividad con respecto a las longitudes de onda en materiales de silicio, germanio y arseniuro de galio – Estudio realizado por Ortega (2012)
Lo que expresa la imagen 9 es que el comportamiento se aleja de la zona lineal correspondiente a un comportamiento ideal, tanto para longitudes de onda corta como para longitudes más largas. Las longitudes más cortas les corresponden energías de fotones más altas y para este tipo de energías resulta que en la zona p se tienen absorciones sumamente elevadas, siendo estas energías mayores a la banda prohibida del material, produciendo así la perdida de la transparencia o capa antireflectante antes mencionada, esto trae como consecuencia adicional la absorción de los fotones en la zona p y la eficiencia cuántica sería muy baja. En la otra situación en la que las longitudes son más grandes, las energías de los fotones son más bajas y probablemente no llegan a ser absorbidas en la unión p-n. En el rango de longitudes que exhibe la gráfica cae súbitamente la eficiencia, es decir, las energías son tan bajas que no pueden ser absorbidas.
Hemos podido aprender un poco mas de los dispositivos encargados de “traducir” el flujo de energía óptica en términos de pulsaciones eléctricas. El arreglo de fotodetector PIN es una de las formas que existen para asegurar la conversión de energía. El PIN es un elemento imprescindible dentro de un receptor óptico, aunque bien es cierto que existen otros arreglos como el detector “de avalancha” que presentan funcionamientos muy similares a los que se han estudiado en este texto. Vale la pena mencionar que la última década se ha venido experimentado una evolución en cuanto al uso de los equipos, actualmente para palpar un receptor óptico (según el caso) debemos desarmar un aparataje electrónico que por lo general es un Switch Óptico, el cual cuenta con sus interfaces ópticas/eléctricas, hay otros casos en que la disposición circuital es tan homogénea que resulta complicado identificar las partes del detector pues todos los componentes vienen sellados.
Y bueno mis Steemians, hasta acá la entrega de hoy !
Espero nos sigamos leyendo. Un saludo a toda la comunidad de #stem-espanol!
Equipo De transmisión/recepción óptica – Imagen tomada por @vjap55
Referencias
DESARROLLO Y CARACTERIZACIÓN DE FOTODETECTORES DE RADIACIÓN ULTRAVIOLETA BASADOS EN NITRUROS DEL GRUPO III – Madrid España– Monroy (2000).
MEDIDOR DE POTENCIA ÓPTICA PORTÁTIL A UNA LONGITUD DE ONDA DE 680NMBASADO EN UN MICROCONTROLADOR DE LA FAMILIA INTEL MCS-51 – Velázquez (2003).
La Tecnología de los sensores de Fibra Óptica – González (2001)-
Fotodetectores PIN, APD - Muriel (2008).
Hi @vjap55!
Your post was upvoted by utopian.io in cooperation with steemstem - supporting knowledge, innovation and technological advancement on the Steem Blockchain.
Contribute to Open Source with utopian.io
Learn how to contribute on our website and join the new open source economy.
Want to chat? Join the Utopian Community on Discord https://discord.gg/h52nFrV
Muy interesante @vjap55, gracias por compartir.
Congratulations @vjap55! You have completed some achievement on Steemit and have been rewarded with new badge(s) :
Click on the badge to view your Board of Honor.
If you no longer want to receive notifications, reply to this comment with the word
STOP