Aula Detector

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UFF – Universidade Federal Fluminense
CTC – Centro Tecnológico
TCE – Escola da Engenharia
TET – Departamento de Engenharia de Telecomunicações
Disciplina: Comunicações Óticas I
Prof.: Pablo
Detectores 
de 
Luz
Monitor - José Luiz G. Ramos
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Tópicos
Detectores de Luz
Princípios de detecção luz
Fotomultiplicador
Fotodiodo Semicondutor
Fotodiodo PIN
Fotodiodo Avalanche
Monitor - José Luiz G. Ramos
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Detectores de Luz
Convertem a luz recebida em sinais elétricos. 
Trabalham com sinais de baixa potência e com baixo índice de ruído.
Os circuitos fotodetectores são compostos por um Diodo que recebe o sinal de luz por acoplamento direto e o converte em sinais elétricos.
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Detectores de Luz
Há 2 mecanismos de Fotodetecção:
Efeito Fotoelétrico Externo – Os elétrons são liberados da superfície do metal pela absorção de fótons incidentes.
Efeito Fotoelétrico Interno – São junções semicondutoras, onde os portadores de carga livres (elétrons e lacunas) são gerados pela absorção de fótons. 
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Detectores de Luz
Algumas propriedades:
Responsividade – Razão entre a corrente de saída e a potência ótica de entrada do detector.
Espectro de resposta – A curva de responsividade do detector em função de comprimento de onda.
Tempo de Subida – É o tempo que a corrente de saída levar para mudar de 10 para 90% do seu valor final, quando a potência de entrada é uma função degrau.
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Detectores de Luz
Dispositivos de EFE
Fotomultiplicador – O Fotodiodo à vácuo e o Tubo Fotomultiplicador são usados principalmente para testar componentes de fibra devido à sua alta sensibilidade.
 
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Detectores de Luz
Dispositivos de EFE
 A energia mínima necessária para o elétron ser liberado é chamada Função Trabalho, Φ.
 
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Detectores de Luz
Dispositivos de EFE
Tubo Fotomultiplicador (PMT) – Possui responsividade maior que o Fotodiodo devido a mecanismos de ganho interno.
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Detectores de Luz
Dispositivos de EFE
 Considerando o ganho (Nº de elétrons secundários liberados por elétron incidente) de cada dynode como sendo δ. No n-ésimo dynode será:
O PMT possui ganho interno, ou seja, o nível do sinal aumenta sem diminuir a relação sinal-ruído.
Desvantagens:
 - Alto custo;
 - Grande tamanho e peso
 - Necessidade de alimentação de centenas de volts 
 
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Detectores de Luz
Fotodiodos - São junções semicondutoras pequenas, sensíveis, rápidas e operam com baixa tensão.
Há 3 tipos:
Pn;
PIN;
Fotodiodo Avalanche. 
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Detectores de Luz
Dispositivos de EFI
A junção, onde há barreira de potencial é chamada Zona de Depleção.
A resistência nessa barreira é alta, assim toda a tensão aplicada está na junção.
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Detectores de Luz
Dispositivos de EFI
As cargas elétricas criadas próximas a zona de depleção podem atravessar a junção. Porém produzem corrente atrasado em relação a potência ótica de entrada, fazendo o Tempo de Subida aumentar.
Não são usados em sistemas com alta taxa de transmissão.
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Detectores de Luz
Dispositivos de EFI
Fotodiodo PIN
 Possui uma camada com semicondutor intrínseco entre os lados p e n.
 	A probabilidade dos fótons serem absorvidos nela é maior.
 Melhora na eficiência. 
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Detectores de Luz
Dispositivos de EFI
Comprimento de onda de corte
	Para criar um par de elétron-lacuna o fóton deve ter energia suficiente.
 λ (μm) e Wg (V)
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Detectores de Luz
Dispositivos de EFI
Material
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Detectores de Luz
Dispositivos de EFI
Característica de corrente e tensão
Mesmo sem potência ótica aplicado no diodo há uma pequena corrente fluindo. Esta é chamada Corrente Negra. E é causada por geração térmica de cargas livres no diodo.
Exemplo:
Sabendo que a responsividade de um Diodo PIN é de 0.5 A/W e que a corrente negra é de 1nm. Qual seria a mínima potência que pode ser detectada?
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Detectores de Luz
Dispositivos de EFI
Velocidade de Resposta
É limitada pelo:
Tempo de Transição – Tempo que a carga leva para atravessar a zona de depleção.
Capacitância formada pelas camadas p e n.
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Detectores de Luz
Dispositivos de EFI
Encapsulamento
É semelhante ao encapsulamento dos LDs, porém não requerem tantas condições especias. Por exemplo, perfeito acoplamento. 
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Detectores de Luz
Dispositivos de EFI
Fotodiodo Avalanche – Junção semicondutora com ganho interno.
Mecanismo básico de funcionamento:
O fóton absorvido gera um par elétron-lacuna livre.
O elétron ganha energia cinética e se choca com átomos neutros gerando outros pares de elétron-lacuna.
Estes por sua vez ganham energia e geram outros pares sucessivamente. Este é o efeito avalanche. 
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Detectores de Luz
Dispositivos de EFI
Os APDs são variações do PIN
As camadas p+ e n+ são altamente dopadas e a camada π é levemente dopada.
Os APDs são lineares na faixa de nm à vários μW 
O ganho diminui com o aumento da temperatura já que o caminho entre as colisões é menor em altas temperaturas. 
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Detectores de Luz
A escolha do material para um sistema ótico depende de:
Comprimento de onda de operação (visível, 1º janela, 2º janela, ...);
Fontes de luz (LED ou Diodo Laser);
Material da fibra;
Tipo de Fibra (índice de refração em degrau, graduado ou simples.);
Fotodetector (PIN ou APD).
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