TRASMETTITORI E RICEVITORI

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1 Date le specifiche, soprattutto dimensioni e velocità di modulazione, il diodo a emissione di luce (LED o LD) risulta il dispositivo adatto. I processi di integrazione consentono di produrre migliaia di diodi sullo stesso wafer a basso costo e con elevata affidabilità. I circuiti elettrici di pilotaggio sono i medesimi dei diodi non ottici, eccetto per la tensione di accensione maggiore. La capacità di emettere luce dipende dai materiali utilizzati e dalla struttura del dispositivo, che inoltre distingue i LED dai LD. LED e LD hanno caratteristiche elettriche V-I simili ai diodi comuni. Le caratteristiche I-P (potenza ottica in uscita) differiscono per i LED e i LD. I Power Laser kink saturazione LED V soglia I -141-

2 Il Laser mostra una caratteristica I-P fortemente non lineare con soglia. LED e Laser mostrano una saturazione per elevate correnti, mentre la caratteristica del Laser presenta delle gobbe (kink) dove la potenza d uscita diminuisce localmente per incrementi della corrente. I diodi Laser hanno una maggiore larghezza di banda di modulazione (adatti per le applicazioni digitali ad alta velocità), maggiore potenza ottica d uscita, e migliore accoppiamento con la fibra. I diodi LED hanno maggiore linearità (adatti per le applicazioni analogiche), più elevata linearità e costo minore (eccetto che per i LD dei compact-disk player). I Power Laser kink saturazione LED V soglia I -142-

3 Larghezza dello spettro ottico di potenza d uscita: Il Laser mostra uno spettro ottico molto più stretto intorno alla lunghezza d onda centrale di quello del LED. Tipici valori di larghezza spettrale σ λ sono 40 nm per un LED operante a 850 nm 1300 nm) e 1 nm per un LD operante a 850 nm ( nm). Il diagramma di radiazione del LD è molto più direttivo di quello del LED. Power (mw) σ λ Diodo Laser LED λ (nm) -143-

4 Cenni su struttura e principio di funzionamento del LED La struttura fisica su cui si basa il LED ( e il LD) è il diodo a giunzione. Il comportamento elettrico è qualitativamente il medesimo (V D = V). Una struttura comunemente utilizzata è il diodo a omogiunzione (le regioni p e n sono ricavate dallo stesso materiale mediante opportuno drogaggio). La luce viene emessa in tutte le direzioni (n.b. la luce può essere riassorbita dal semiconduttore prima di giungere all esterno) p CONTATTI OHMICI n DIODO A OMOGIUNZIONE -144-

5 Una seconda struttura molto utilizzata è il diodo a eterogiunzione (le regioni p e n sono separate da una regione di semiconduttore intrinseco). MATERIALE INTRINSECO p CONTATTI OHMICI n DIODO A ETEROGIUNZIONE elettroni E g1 E g1 tipo p E g2 lacune tipo n -145-

6 Le regioni p e n con bandgap maggiore (E g1 ) forniscono lacune ed elettroni alla regione intrinseca (E g2 ). La generazione di luce avviene all interno della regione intrinseca, dove elettroni e lacune hanno un alto tasso di ricombinazione con generazione di fotoni. La luce viene emessa dalla regione intrinseca solo dai lati. La regione attiva di un LED deve essere realizzata con un materiale a bandgap diretta. In un materiale con badgap indiretta, come il silicio cristallino, l energia coinvolta nel processo di ricombinazione elettrone-lacuna è rilasciata come calore. E g1 elettroni E g1 tipo p E g2 lacune tipo n -146-

7 In un materiale con bandgap diretta, come l arseniuro di gallio (GaAs), la maggioranza delle ricombinazioni produce sia calore che luce. In un dispositivo ad alta efficienza, la maggioranza delle ricombinazioni produce luce piuttosto che calore. In alcuni materiali compositi, come il Al x Ga (1-x) As, il valore della frazione molare x determina se il materiale ha bandgap diretta o indiretta. In un materiale ideale, un singolo fotone è emesso per ciascun evento di ricombinazione lacuna-elettrone. La lunghezza d onda della luce emessa è determinata dalla bandgap della regione di ricombinazione, secondo la formula: E p = hc/λ = hν La luce può essere assorbita dallo stesso materiale che l ha emessa; perciò il materiale che i fotoni devono attraversare deve essere il più sottile possibile per prevenire il riassorbimento

8 Il problema del riassorbimento è meno importante nei LED a eterogiunzione, che hanno strati di materiale con bandgap più elevata intorno allo strato attivo. Questi strati con bandgap più elevata risultano trasparenti alla luce emessa dallo strato attivo: non c è assorbimento perché l energia dei fotoni non ha il valore giusto per innescare il processo di generazione di coppie lacunaelettrone. Inoltre, le regioni intorno allo strato attivo sono realizzate con materiali a bandgap indiretta, limitando la possibilità di emissione ottica solo allo strato attivo. L emissione di fotoni da una determinata superficie del LED viene migliorata utilizzando superfici riflettenti come specchi laddove non si desidera emissione di luce

9 Gli specchi possono essere realizzati tagliando il cristallo semiconduttore con precisione secondo un asse cristallografico. Le superfici risultanti sono lisce, piane e parallele. Le superfici possono essere lucidate ulteriormente con processi chimici opportuni. Un altra tecnica per produrre specchi consiste nel costruire un sandwich (planare o in tutte e tre le dimensioni) circondando l area attiva con materiali ad indice di rifrazione minore, ma con bandgap maggiore. In tal caso è possibile realizzare la riflessione interna totale, incrementando sensibilmente la luce emessa dal LED dalla superficie desiderata. Queste tecniche di confinamento della luce vanno sotto il nome di bandgap engineering e index guiding

10 Una terza tecnica per produrre specchi consiste nel confinare la corrente di giunzione in una regione limitata del materiale attivo, mediante una configurazione opportuna di elettrodi. L indice di rifrazione dipende dalla densità di lacune ed elettroni. Se la corrente è confinata, viene creata una regione con indice di rifrazione diverso dal restante materiale i cui margini sono riflettenti. Questa tecnica va sotto il nome di gain guiding. Nei LED ad emissione laterale, la luce riflessa dalle pareti a specchio viene emessa dal LED parallelamente alla superficie attiva. Contatto + Regione di confinamento SiO 2 SiO 2 p Giunzione attiva n Contatto

11 Cenni su struttura e principio di funzionamento del LD La struttura fisica su cui si basa il LD è il diodo a giunzione ed è molto simile a quella del LED ad emissione laterale. Vengono usate una, due o tutte e tre insieme le tecniche di riflessione viste per il LED. Contatto + p - elevato indice di rifrazione Materiale intrinseco n - elevato indice di rifrazione SiO 2 SiO 2 p n Contatto - p fortemente drogato (contatto ohmico) DIODO LASER A ETEROGIUNZIONE -151-

12 L effetto Laser viene ottenuto attraverso la risonanza ottica. La regione attiva, con facce e lati riflettenti, forma una cavità risonante (simile a quella tipo Fabry-Perot dei laser a gas). All interno di un laser, i fotoni vengono generati con uguale frequenza, direzione e fase. All interno del semiconduttore, la generazione di fotoni può essere di due tipi: Emissione spontanea, con tempi casuali, che dà luogo a fotoni con direzione e fase qualsiasi. La larghezza spettrale di questa emissione è relativamente larga. Emissione stimolata, composta da fotoni emessi in risposta alla presenza di un altro fotone. Il fotone emesso ha la stessa direzione e fase di del fotone che ne ha stimolato l emissione. In una cavità risonante, questi fotoni viaggiano lungo l asse principale, stimolando a loro volta l emissione di altri fotoni, in un processo iterativo. L emissione spontanea viene superata dall emissione stimolata, producendo un consistente raggio di luce in uscita

13 Un Laser polarizzato sotto la soglia di emissione, può essere usato come un amplificatore ottico. È l emissione stimolata di nuovi fotoni in risposta ai fotoni in input che fornisce il guadagno di potenza ottica, senza bisogno di una conversione otticoelettrica, amplificazione elettronica e riconversione elettro-ottica. Il guadagno di questi amplificatori ottici è controllato mediante la corrente di polarizzazione

14 Polarizzazione Sia il LED che il LD sono polarizzati direttamente. Per aumentare la velocità o la linearità della risposta ottica, il LED non viene mai spento completamente. La minima tensione utilizzata (per es. corrispondente allo 0 logico) è tra 0.7 e 1.1 V a seconda del dispositivo. Questo impedisce alla capacità di giunzione di scaricarsi completamente, garantendo al contempo una dinamica ottica di uscita sufficientemente larga. Anche il LD è spesso polarizzato con una corrente DC che mantiene il laser al limite dell innesco dell emissione stimolata. Infatti, la cavità deve raggiungere un certo minimo di densità di energia prima che l emissione stimolata (effetto laser) domini rispetto all emissione spontanea (effetto LED). Il guadagno ottico della cavità è funzione della polarizzazione DC. Se la corrente di polarizzazione è troppo bassa per raggiungere la risonanza, si ha una emissione LED. Un LD ad alta velocità non viene mai polarizzato sotto la soglia

15 Altri Effetti Packaging Sensibilità alle condizioni ambientali o alle caratteristiche del singolo dispositivo Dissipazione del calore e regolazioni termiche Affidabilità Sia il LED che il LD sono polarizzati direttamente

16 La caratteristica P-I del LD è fortemente dipendente dalla temperatura. La corrente di pilotaggio sufficiente a generare la potenza ottica relativa allo stato logico 1 a 20 C produce lo 0 70 C. I LD richiedono un controllo aggiuntivo termico. Power 20 C 70 C P I P 0 La corrente di polarizzazione corrispondente alla soglia dell effetto laser dipende dalla temperatura approssimativamente secondo la formula: I I th = I z e T/T z Dove I th è la corrente di soglia; T z e I z sono caratteristici del singolo diodo. Le temperature sono espresse in K

17 La sensibilità termica del LD viene compensata in due modi: Raffreddamento termoelettrico a cella Peltier. Controreazione attraverso un fotodiodo in grado di monitorare la potenza ottica in uscita (doppia uscita del laser). Questo sistema è anche in grado di fornire indicazioni su eventuali guasti del LD. CONTROLLO GENERATORE I th FOTODIODO LASER DIODE ALLA FIBRA -157-

18 Esempio: un LD ha una corrente di soglia di 20 ma a 25 C e di 55 ma a 60 C. Trovare I z e T z. Facendo il rapporto tra le due correnti (dopo avere trasformato C in K): I 1 /I 2 = exp[(t 1 - T 2 )/T z )]. Quindi: T z = (T 1 - T 2 ) ln(i 1 /I 2 ) = 35 ln(55/20) = 35 K. Similmente: I z = I 1 /[exp(t 1 /T z )] = (20 x 10-3 )/ exp[(25+273)/35] = 4.01 µa

19 I laser a semiconduttore hanno più di un modo di risonanza permesso nella regione attiva. I picchi nello spettro di potenza sono contenuti nell inviluppo tipico di un LED. Un modo solo è dominante, ma quale sia il modo dominante può cambiare casualmente in funzione della temperatura, della corrente di polarizzazione, etc. Il cambio di modo è detto mode hopping che è erroneamente interpretato dal ricevitore come un cambio di ingresso. Ciò può essere prevenuto per es. regolando la temperatura del laser

20 Affidabilità La parte più soggetta a guasto in un trasmettitore è il diodo ottico. LED e LD possono presentare guasti di tipo ottico ed elettrico. Per es. uno spike di corrente può interrompere i collegamenti in filo metallico interni, causando un circuito aperto. L affidabilità decresce rapidamente con l aumentare della temperatura. Il tempo medio prima del guasto (Mean-Time-To-Failure, MTTF) può essere calcolato con la relazione: MTTF = E A kt Ae Dove T è la temperatura espressa in Kelvin, E A è l energia di attivazione che causa il guasto e A è un coefficiente tipico di ciascun dispositivo. Tipici valori per un LED o un LD sono E A = ev (tipicamente ½ E g ). Dalla relazione si vede che è bene utilizzare il diodo alla temperatura più bassa possibile (ma anche i sistemi di raffreddamento hanno un loro MTTF)

21 Il MTTF dipende anche dalla corrente di polarizzazione: MTTF I 0 = MTTF0 I dove I 0 e MTTF 0 sono noti per un valore di corrente, e MTTF è calcolato alla nuova corrente I. L esponente n vale tra 1.5 e 2 per diodi ottici tipici. A temperatura ambiente MTTF può valere 6 anni per un LD e 25 anni per un LED. Per temperature più elevate o per alte correnti di polarizzazione MTTF è significativamente più corto. n -161-

22 Sommario Un trasmettitore consiste in circuiti di condizionamento e polarizzazione e di un diodo ottico. Il diodo ottico può essere un LED o un LD. Circuiti di multiplexing e codifica possono essere inclusi nel trasmettitore o possono trovare alloggio su schede o moduli separati. LED e LD sfruttano la ricombinazione lacuna-elettrone per produrre fotoni la cui lunghezza d onda dipende dalle proprietà del semiconduttore utilizzato. Larghezza di spettro e capacità di modulazione dipendono dalla struttura del dispositivo e dalla rete di polarizzazione (polarizzazione diretta). I LD richiedono una polarizzazione in continua e un controllo termico, poiché la corrente di soglia varia sensibilmente con la temperatura. Un LD fornisce prestazioni superiori a quelle di un LED in termini di velocità di modulazione, direttività di radiazione, potenza di uscita e larghezza spettrale. Il LED ha migliore linearità e più elevata affidabilità, con costi minori

23 Ricevitori I ricevitori riconvertono i segnali ottici in segnali elettrici. Un fotodiodo converte il segnale ottico in una corrente. Poiché il segnale ottico ricevuto e la risultante corrente hanno piccole ampiezze, il ricevitore contiene usualmente uno o più stadi di amplificazione. Il ricevitore contiene inoltre filtri e/o equalizzatori per migliorare la qualità del segnale. Il ricevitore digitale converte il segnale amplificato in un segnale elettrico digitale. Ricevitore e trasmettitore devono usare lo stesso schema di codifica (NRZ, Manchester, etc.) e tipicamente hanno anche la stessa interfaccia elettrica (TTL, ECL, etc.). Solo con un comune standard elettrico, ottico e di timing consente l interoperabilità tra trasmettitori e ricevitori di produttori diversi

24 Il ricevitore consiste tipicamente di: Fotodiodo Rete di polarizzazione Pre-amplificatore a basso rumore Può includere anche stadi aggiuntivi di amplificazione, filtri ed equalizzatori, raggruppati sullo stesso circuito integrato, oppure in un circuito ibrido o scheda. Un sistema completo può prevedere anche altre funzioni di supporto. La più comune è il recupero della temporizzazione (clock recovery) poiché nelle comunicazioni in fibra non viene fornito separatamente il clock. Altre funzioni di supporto sono la decodifica (per es. 4B/5B), la rivelazione e correzione d errore, la rivelazione di guasto (perdita di segnale ottico o di modulazione). Un sistema completo è costituito da numerosi ASIC e occupa un circuito stampato

25 Il fotodiodo converte il segnale ottico direttamente in corrente elettrica usando il processo fisico inverso del LED. Quando un fotone penetra in un materiale semiconduttore, può essere assorbito dal materiale stesso. L assorbimento di un fotone libera un elettrone dal suo legame chimico (elettrone di valenza), dando luogo ad una coppia lacuna-elettrone. Elettrone e lacuna sono portatori liberi, e si possono muovere nel semiconduttore in presenza di un campo elettrico. La minima energia che il fotone deve possedere per creare la coppia lacunaelettrone è l energia di bandgap E g. Se il fotone ha energia maggiore, l elettrone e la lacuna convertono l eccesso in energia cinetica (calore). Un fotone deve avere energia almeno 2 E g per creare due coppie lacunaelettrone

26 Un fotodiodo è caratterizzato da una finestra in cui può essere utilizzato (energia di taglio e lunghezza d onda di taglio). I fotodiodi al silicio hanno una lunghezza d onda di taglio di 1100 nm e possono essere usati solo in I finestra (intorno agli 850 nm). I fotodiodi adatti per lunghezze d onda maggiori sono realizzati con i materiali dei gruppi III-V, anche se per molte applicazioni è possibile usare il germanio (IV gruppo). I diodi in silicio sono integrabili con transistor su un singolo IC, rendendo possibile integrare tutto il ricevitore, servendosi di una matura (ed economica) tecnica industriale. Un sistema totalmente integrato ha costo minore con affidabilità superiore

27 Esempio: Il silicio ha una energia di bandgap pari a 1.12 ev. Quale è la minima energia di fotoni che può essere assorbita da un fotodiodo al silicio? Quale è la massima lunghezza d onda del fotone? E min = E g = 1.12 ev λ max corrisponde a E min λ max = hc/e g = (1.240 evµm)/(1.12 ev) = 1110 nm

28 p p i n p + n + i n PIN APD (Avalanche Photo Diode) STRUTTURE DI FOTODIODI La probabilità che un fotone venga catturato dal materiale semiconduttore dipende da molti fattori, tra cui: le proprietà del materiale semiconduttore, l energia del fotone, lo spessore dello strato di materiale assorbente (maggiore spessore, maggiore assorbimento)

29 La caratteristica I-V di un fotodiodo PIN mostra come la corrente inversa aumenti all aumentare della potenza ottica assorbita. Il fotodiodi lavorano in polarizzazione inversa, dal momento che le correnti inverse sono dell ordine dei 10 na 100 µa. Se fossero polarizzati direttamente, questa corrente sarebbe indistinguibile dal rumore. I V -169-

30 Quando nessuna luce incide sul fotodiodo, solo la corrente di saturazione inversa scorre attraverso la giunzione. Le correnti di buio sono dell ordine di 1-10 na. Le fotocorrenti causate dal segnale ottico si aggiunge alla corrente di saturazione inversa, e la loro intensità dipende dal materiale, dalla temperatura e dalla polarizzazione applicata. La corrente di buio può essere espressa come: I d = M I db + I ds dove I db e I ds sono misurate a polarizzazione bassa (guadagno per effetto valanga M = 1). Tipiche correnti di segnale sono dell ordine di 1 µa, maggiori della corrente di buio ma minori della corrente di polarizzazione diretta. La velocità di risposta del fotodiodo dipende dalla velocità con cui lacune ed elettroni attraversano la regione intrinseca, che dipende dal campo elettrico applicato. Tuttavia, la velocità dei portatori satura per valori del campo attorno ai 10 4 V/cm ( critical field, dipendente dal materiale), e incrementi della tensione inversa di polarizzazione non migliorano la velocità di risposta

31 Il fotodiodo Avalanche Photo Diode (APD) ha una struttura più complessa del diodo PIN, in grado di amplificare all interno del fotodiodo stesso la corrente di segnale. I due strati fortemente drogati (p+ e n+) subiscono breakdown di giunzione per effetto valanga a tensioni relativamente basse. In questa regione di breakdown i portatori generati dall assorbimento di fotoni nella zona intrinseca accelerano sufficientemente per generare a loro volta coppie lacuna-elettrone aggiuntive (effetto di amplificazione della corrente di segnale). Il guadagno M è il rapporto tra il numero medio di portatori che entra nella regione di breakdown e il numero medio dei portatori in uscita. In Figura M = 3, ma guadagni pratici possono raggiungere il valore 5 50 con punte di p p + n + E r i -171-

32 Il fotodiodo APD fornisce un guadagno solo quando la tensione di polarizzazione inversa V br genera il primo breakdown (della regione fortemente drogata). Al di sotto di V br si ha M = 1. Per molti dispositivi pratici V br è tra 25 e 200 V. Aumentando la tensione inversa si provoca il breakdown delle regioni non fortemente drogate con malfunzionamento o distruzione del fotodiodo. La necessità di tensioni di polarizzazione V br non comunemente disponibili in normali circuiti elettronici ( V) e la ridotta affidabilità del diodo APD rendono l applicazione di questo dispositivo più costosa rispetto al diodo PIN, che invece può funzionare con tensioni da 5 a 15 V. Il vantaggio di 5-10 db in sensibilità e la maggiore velocità di risposta dell APD, rispetto al diodo PIN, diventano convenienti solo per lunghe tratte, dove il risparmio di ripetitori copre i maggiori costi di sistema e di manutenzione

33 La fotocorrente I p in funzione della potenza ottica incidente P, può essere calcolata, sia per il fotodiodo PIN che per l APD, con la seguente relazione: I p = M R P dove R è la responsività, funzione del materiale e della lunghezza d onda. Tipici valori vanno da 0.2 a 0.8 µa/µw. Esempio: Un diodo PIN al silicio ha una responsività di 0.58 A/W a 830 nm. La potenza incidente è di 800 nw a 830 nm. Quale è la fotocorrente risultante? Il diodo PIN ha M = 1. I p = M R P = (1) (0.58 A/W) (800 nw) = 464 na. Esempio: Un diodo APD al silicio ha una responsività di 0.58 A/W a 830 nm, ed è polarizzato in modo che il suo guadagno sia 5. La potenza incidente è di 800 nw a 830 nm. Quale è la fotocorrente risultante? I p = M R P = (5) (0.58 A/W) (800 nw) = µa

34 Un andamento tipico della responsività può essere il seguente: 10 0 RESPONSIVITÀ (Si) [A/W] LUNGHEZZA D ONDA [nm] -174-

35 Amplificatori Il primo amplificatore (pre-amp) riceve in ingresso una corrente estremamente bassa e deve perciò essere a bassissimo rumore. Il fotodiodo, la resistenza di polarizzazione e il pre-amp sono progettati come una singola unità. Le interazioni tra questi tre componenti determinano la larghezza di banda, il SNR e la sensibilità (minimo segnale rivelabile del ricevitore) del ricevitore. Gli amplificatori possono essere divisi in quattro gruppi, a seconda del tipo di transistor di ingresso (FET o BJT) e della configurazione (transimpedenza o alta impedenza). P min -30 dbm -40 dbm -50 dbm -60 dbm -70 dbm -80 dbm PIN + FET APD + FET PIN + BJT APD + BJT QUANTUM LIMIT -90 dbm DATA RATE [Mbit/s] -175-

36 P min -30 dbm -40 dbm -50 dbm -60 dbm -70 dbm -80 dbm PIN + FET APD + FET PIN + BJT APD + BJT QUANTUM LIMIT -90 dbm DATA RATE [Mbit/s] Esempio: Un ricevitore contiene un fotodiodo PIN e un amplificatore FET e ha le caratteristiche in Figura. Determinare la sensibilità a 10 Mbit/s. Dalla Figura, P min = -56 dbm (quindi è espressa in mw) P min = [10 (-56/10) ] x 10-3 W = 2.51 nw

37 Amplificatore di ad alta impedenza Pre-amplificatori: elevata impedenza di ingresso V cc guadagno V o /V D (adimensionato) larghezza di banda 1/ (4 R C) R b I IN Amplificatore di transimpedenza bassa impedenza di ingresso PD + V D - AMPLIFICATORE A + V O - guadagno V o /I IN (Ohm) larghezza di banda A/ (4 R C) A è il guadagno DC dell amplificatore, R e C sono la resistenza e la capacità al nodo d ingresso

38 Pre-amplificatori: V cc Accoppiamento in DC Necessario se non c è limite al numero di bit uguali in una sequenza (per es. codifica NRZ) (nessun limite alla banda impegnata). Possibile deriva del livello di riposo del segnale. R b I IN PD + V D - AMPLIFICATORE + V O - Accoppiamento in AC V cc Segnale limitato in banda (in particolare, non c è la continua). R b Eliminazione del rumore a bassa frequenza e della deriva del livello di riposo del segnale. PD C C AMPLIFICATORE -178-

39 Larghezza di banda del ricevitore La larghezza di banda del ricevitore è determinata dal fotodiodo, dal capacitore di accoppiamento, dal preamplificatore e da eventuali filtri ed equalizzatori. V cc R b C C PD AMPLIFICATORE C C i P C j R b R A C A AMPLIFICATORE IDEALE C e R e -179-

40 Valori tipici C A = pf C j = pf R A = 10 MΩ (ingresso a FET), 10 kω (ingresso a BJT) Esempio: Un ricevitore è progettato per velocità dati (Data Rate, DR) da 10 a 40 Mb/s. Qual è l intervallo di frequenze permesso per il segnale? Assumere di conservare solo la prima armonica. f min = DR min /2 = 5 MHz (la sequenza 1 0, vale 2 T bit ma solo 1 T sinusoidale). f max = 2 DR max /2 = 40 MHz (con una codifica tipo Manchester che raddoppia il DR)