Material elaborado pelo Prof. Clovis Almeida. Curso: Engenharia de Telecomunicações Disciplina: Comunicações Ópticas Carga Horária: 60 horas

Transcrição

1 Material elaborado pelo Prof. Clovis Almeida Curso: Engenharia de Telecomunicações Disciplina: Comunicações Ópticas Carga Horária: 60 horas

2 Regras do Jogo: Aulas expositivas em quadro, Power Point, ou transparências : Entregar material em meio eletrônico ou via Internet; Foco no Conteúdo programático (evitar desvios); Reposição de aulas aos sábados (à tarde); Exercícios de Revisão. Avaliação : Assiduidade, Pontualidade e Participação; Trabalhos (Opcionais); Testes surpresa; Provas Individuais.

3 Conteúdo Programático (referência) Primeira parte 30 aulas Elementos de comunicações ópticas Segunda parte 18 aulas Redes de comunicações ópticas Terceira parte 12 aulas Projeto de enlace óptico

4 F. Multimodo : DEGRAU x GRADUAL Multimodo DEGRAU : Variação ABRUPTA do índice de refração do núcleo em relação a casca. Capacidade de transmissão bastante limitada; Grande capacidade de captar energia; Diâmetro do núcleo >= 100 µ m permitindo o uso de conectores de menor precisão e fontes luminosas menos diretivas (baixo custo); Dimensões e diferença relativa de índices de refração possibilitando a existência de múltiplos modos de propagação, implicando na limitação de banda passante. Multimodo GRADUAL : Variação GRADUAL do índice de refração do núcleo em relação a casca; Capacidade de transmissão alta; Diâmetro do núcleo variando entre µ m (casca 126 µ m), permitindo o uso de conectores e técnicas de acoplamento sem grandes sofisticações (custo médio).

5 FIBRA MONOMODO MONOMODO (SM) : Núcleo de dimensões muito pequena, dificultando, portanto, a conectividade (LASER e junções); Alto custo; Núcleo pequeno + LASER = Diretividade; Capacidade de transmissão superior a fibra Multimodo; Maiores distâncias.

6 Fontes e Detectores FONTES LED SLED (LED de Superfície) ELED (LED de Extremidade) Laser FP Fabry-Perot Realimentação distribuída (DFB) (DBR) DETECTORES (Fotocélulas) PIN APD Novas Tecnologias Amplificador Óptico WDM, DWDM Sólitons

7 Quinta geração QUINTA GERAÇÃO : A quinta geração pretende resolver o problema de dispersão na fibra. A proposta é a utilização de sólitons, que são pulsos ópticos que se propagam preservando sua forma.

8 Fonte de Luz : LED x LASER LED (Diodo Emissor de Luz) : São as fontes ópticas mais simples e baratas; Utilizados em sistemas de transmissão de baixa capacidade e de distâncias menores; Apresentam limitações de acoplamento (vários raios de luz), largura espectral (faixa) alta e baixa velocidade de modulação; Laser (Amplificação de luz por emissão estimulada de radiação) : Mais caros e possuem potência de saída maior que os LED s; Transmitem em altas taxas (1/10/40 Gbps até Tbps) e grades distâncias; Seu funcionamento baseia-se na emissão estimulada de luz; Possui feixe bem mais direcional que o LED.

9 Monomodo Fontes de Luz para Fibras Laser Multimodo LED Laser = Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation ion LED = Light-Emitting Diode

10 Fonte de Luz : SLED x ELED SLED LED com emissão na SUPERFÍCIE. ELED LED com emissão na EXTREMIDADE. Junção PN ELED Junção PN SLED

11 Fontes de luz para fibras Diodo Emissor de Luz (LED) É um dos elementos chave em um sistema óptico. Converte um sinal elétrico em um sinal de luz correspondente, o qual pode ser injetado em uma fibra óptica. Sua importância ocorre por ser um dos mais caros componentes do sistema. Suas características influem fortemente no desempenho de um enlace óptico.

12 Fontes de luz para fibras Diodo Emissor de Luz (LED) O processo de conversão tem boa eficiência pois o aquecimento é pequeno. As cinco características básicas que o tornam vantajoso para utilização com fibra óptica são: Dimensões reduzidas; Alta densidade de energia luminosa; Vida longa; Alta confiabilidade; Permite operação liga/desliga em altas velocidades. Materiais básicos: Arsenieto de Alumínio e Gálio (GaAlAs), para pequenos comprimentos de onda; Fosfeto arsenieto de gálio e índio, para grandes comprimentos de onda.

13 Fontes de luz para fibras Diodo Emissor de Luz (LED) Características para uso em fibra óptica Comprimento de onda de pico Comprimento de onda em que a potência gerada pela fonte é máxima. Deve ser combinada com os comprimentos de onda que apresentem a menor atenuação na fibra. Os maiores picos ocorrem nas janelas de 780, 850 e 1310 nm. Largura espectral Do ponto de vista ideal, toda a luz emitida pelo LED deveria ser no comprimento de onde de pico. Na prática a emissão é feita em uma faixa de comprimentos ao redor do comprimento de pico, denominada largura espectral. Padrão de emissão O padrão de luz emitida afeta a quantidade de luz que pode ser acoplada à fibra. As dimensões da região de emissão devem ser compatíveis com o diâmetro do núcleo da fibra.

14 Fontes de luz para fibras Diodo Emissor de Luz (LED) Características para uso em fibra óptica Potência de transmissão Os melhores resultados geralmente são obtidos injetando-se a maior potência óptica possível dentro da fibra, para que possa compensar as perdas, dispersões e outras limitações do sistema e para que o nível de recepção seja suficiente para que a informação possa ser detectada. Em geral, a potência de transmissão do LED é inferior à dos lasers. Velocidade de comutação A fonte deve realizar a operação liga/desliga com rapidez suficiente para atender a velocidade da informação a ser transmitida. A velocidade de comutação é especificada de acordo com o tempo de subida ou de descida do pulso (tempo necessário para que a potência passe de 10% a 90% do pico. Os tempos de subida e descida dos LED são superiores aos dos lasers.

15 Fontes de luz para fibras Diodo Emissor de Luz (LED) Características para uso em fibra óptica Linearidade Representa o quanto a potência de transmissão é diretamente proporcional à corrente de entrada. Esta característica é muito mais rígida quando se trata de transmissões de sinais analógicos par que as distorções harmônicas sejam reduzidas.

16 Tipos de LED Diodo com emissão na extremidade (ELED) São mais complexos e mais caros, porém apresentam maior velocidade de comutação e potências mais elevadas. Área de emissão bem pequena, da ordem de 30 a 50 µm, o que permite um bom acoplamento com fibras compatíveis. A largura plena de meia potência (FWHM) é da ordem de 7% do comprimento de onda central. Possuem uma variedade denominada LED Super Radiante, uma espécie de combinação entre LED e laser. Possuem ganho e densidade de potência elevados, rivalizando com o laser, porém a saída não é coerente, como o laser. Seu espectro de emissão está entre 1 e 2% do comprimento central. Sua principal aplicação é em interferômetros ópticos.

17 Tipos de LED Diodo com emissão na superfície (SLED) São mais simples e mais baratos. A velocidade de comutação e potência de transmissão são de baixa a média. A potência óptica gerada chega a ser maior que a do ELED, porém a área de emissão é bem maior, o que prejudica o acoplamento óptico com a fibra. Outro fator de deficiência é que a emissão da luz ocorre em todas as direções, limitando o aproveitamento de potência óptica no sentido do núcleo da fibra.

18 Circuitos excitadores de LED A potência gerada é aproximadamente proporcional à corrente de excitação. Outros fatores, como temperatura, afetam a potência gerada. A curva superior (ao lado) representa 0,1% de ciclo de trabalho, com corrente de pico, enquanto que a inferior representa 100%.

19 Excitadores analógicos para LED A configuração simples (denominada amplificador de transcondutância) utiliza apenas um transistor. A corrente que flui pelo LED é proporcional à tensão analógica de entrada. A corrente de pico de excitação é de cerca de 100 ma e a queda de tensão sobre o LED é tipicamente 1,5 V.

20 Excitadores analógicos para LED A tensão de emissor V R2 gera a corrente de emissor, aproximadamente igual à de coletor, segundo a relação: β i c = i e β +1 β = ganho em corrente, geralmente entre 10 e 100. A corrente de emissor e, por conseguinte, a potência de saída óptica, está relacionada à tensão analógica de entrada pela expressão: i D V = in 0,6 i R2 1 β e β + 1 A desvantagem desta configuração é que a capacitância da base depende da tensão de entrada, o que provoca não-linearidades.

21 Excitadores analógicos para LED A configuração linearizada elimina a maior parte das não linearidades associadas a Q1. O amplificador operacional U1 forma um laço de realimentação de forma a garantir que V R2 =V in.

22 Excitadores analógicos para LED Neste caso, a corrente do LED e, por conseguinte, a potência de saída óptica, está relacionada à tensão analógica de entrada pela expressão: i D V = R in 2 i 1 β e β + 1 Ainda persistirão algumas não-linearidades no circuito, porém não constituem um fator limitante. Uma limitação a ser considerada é o retardo causado pelo sinal de realimentação, o que limita a banda a 100 MHz. Este circuito se mostra adequado a transmissão de sinais analógicos com acoplamento CC.

23 Excitadores analógicos para LED A configuração linear para alta freqüência é a que apresenta o melhor desempenho entre as três. A polarização é feita com auxílio do resistor R 1. O resistor R 1 pode ser substituído por uma fonte de corrente constante com compensação de temperatura.

24 Excitadores analógicos para LED O operacional U 1 tem dupla função: Permite a amplificação de pequenos sinais de entrada, devido ao seu alto ganho; Isola o LED do circuito de entrada mediante um eficiente casamento de impedância no ponto de entrada de sinal, reduzindo sinais refletidos. As impedâncias típicas de saída de U 1 são 50 e 75 ohms. As impedâncias típicas do LED estão entre 5 e 10 ohms. A diferença entre as impedâncias acima é compensada pela rede de casamento de impedâncias. O capacitor C 1 bloqueia a componente contínua presente na saída de U 1.

25 Excitadores digitais para LED Para sinais digitais, a não linearidade deixa de ser um fator crítico, pois o LED estará conduzindo ou em corte. O LED tem a propriedade de acender rapidamente, porém a velocidade de apagamento é bem mais lenta. A principal preocupação, neste caso, é com a velocidade de comutação do LED, quanto ao dimensionamento do circuito excitador. A velocidade deve ser a máxima possível.

26 Excitadores digitais para LED A configuração mais simples é denominada em série. O sinal de entrada é na base de Q 1, pelo resistor R 1. O sinal digital fará o transistor entrar em corte ou condução. Em corte, não haverá circulação de corrente pelo LED. Não haverá emissão de luz. Em condução, a tensão no catodo do LED será reduzida e o diodo entrará em condução, emitindo luz. O resistor R2 definirá o valor da corrente que circulará pelo LED, conforme a tensão de polarização aplicada. i R V = CC V 2 R LED, d 2 V CE

27 Excitadores digitais para LED A configuração em paralelo permite velocidades bem mais elevadas do que a configuração em série, tendo em vista a melhor simetria entre acendimento e apagamento. O LED descarrega sobre o transistor no instante do apagamento. O resistor R 2 proporciona a polarização direta para acender o LED. O transistor quando saturado apresenta baixa resistência (alguns ohms), permitindo uma rápida descarga do LED e, portanto, um rápido apagamento. O consumo de energia, porém, é mais do dobro da configuração em série.

28 Excitadores digitais para LED Esta configuração é uma derivação da anterior, com acréscimo de dois capacitores e dois novos resistores para aumentar a velocidade. C 1 melhora as características de comutação do transistor. O valor do capacitor não pode ser muito elevado sob o risco do transistor ser danificado pela super excitação. Os demais componentes adicionados proporcionam super excitação do transistor quando o LED está aceso e sub-excitação quando está desligado, o que acelera as transições do LED. Quando a excitação é feita por uma onda quadrada, a constante de tempo de R 3 e C 2 deve ser igual ao tempo de subida ou de descida do pulso.

29 Curva de resposta à modulação digital As características introduzidas na última configuração permitem velocidades superiores a 1 Gbits/s, em laboratório. O surto de corrente no início do pulso pode atingir o dobro do valor nominal. O surto acelera o tempo para acendimento do LED e o seu apagamento, porém o acendimento ainda ocorre com algum retardo. O tempo de subida elétrico é de cerca de 0,7 ns, enquanto que o tempo de subida óptico é de 1,5 ns. No final do pulso ocorre um surto reverso que acelera o desligamento. Mesmo assim, o apagamento do LED é mais lento eu seu acendimento. O tempo de descida para o pulso elétrico está em torno de 0,7 ns e o óptico é de 2,5 ns. Após o pulso a corrente não cai totalmente para zero para manter uma pré-polarização para melhorar a resposta dinâmica.

30 Bandas de energia do LED Em polarização direta (aceso), o LED apresenta uma queda de tensão entre 1,1 e 1,5 V. As quedas de tensão são maiores nos LED que operam em comprimentos de onda mais altos e decrescem conforme o comprimento de onda aumenta. O fenômeno acima está relacionado com as bandas de energia do elétron, conforme a equação: Para: h = constante de Plank = 4.13 x ev s c = velocidade da luz = x 10 8 m/s λ = comprimento de onda em nm E g hc nm = = 1240 ev λ λ

31 Bandas de energia do LED Material Formula Energy Gap Wavelength Fosfito de gálio GaP 2.24 ev 550 nm Arsenieto de alumínio AIAs 2.09 ev 590 nm Arsenieto de gálio GaAs 1.42 ev 870 nm Fosfeto de Índio InP 1.33 ev 930 nm Arsenieto de gálio-alumínio AIGaAs ev nm Fosfito arsenieto de gálio-índio InGaAsP ev nm A tabela acima mostra as bandas de energia dos elétrons em alguns materiais utilizados nos LED. GaP e AlAs são empregados nas emissões do espectro visível, enquanto que os três seguintes são utilizados em emissores de radiações próximas ao infra-vermelho, região geralmente conhecida como primeira janela em comunicações ópticas. O fosfito arsenieto de gálio-índio são utilizados em emissores de radiações nas regiões geralmente conhecidas como segunda e terceira janelas.

32 Bandas de energia do LED A banda de energia corresponde à energia dos fótons emitidos e é um indicativo da queda de tensão no LED em polarização direta. Conhecendo-se a queda de tensão no LED e a tensão de saturação do transistor excitador, pode-se determinar a corrente de pico no diodo pela expressão: V ILED = VCC VLED 3 Para: I LED = corrente de pico no diodo V CC = tensão da fonte de alimentação V LED = queda de tenão em polarização direta do diodo V sat = tensão de saturação do transistor excitador sat

33 Dispositivos para emitir luz a longas distâncias Fornecer energia luminosa de alta intensidade; Permitir acoplamento eficiente na fibra óptica; Emitir luz em comprimento de onda compatíveis com a fibra; Fornecer luz com largura espectral bem estreita, para permitir a modulação com altas taxas de bits; Necessidade de tempo reduzido para geração de luz, permitindo assim a modulação em freqüências elevadas; Ser bem estável, mantendo a potência e a Freqüência da luz gerada invariável com o tempo, com a temperatura e com outras condições ambientais a que estão submetidas. Solução : LASER.

34 Fontes de luz para fibras LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Dispositivos a semicondutor, de construção complexa, que convertem energia elétrica em luz coerente. Diz-se que a luz é coerente quando os fótons estão em fase e com o mesmo comprimento de onda. Atrativos para uso em fibra óptica: pequeno tamanho alta concentração de radiação área de emissão reduzida, comparada às dimensões da fibra vida útil elevada com alta confiabilidade pode modular a luz em altas velocidades

35 LED e LASER 1 E L E T R O N LED 2 FÓTON C a v i d a d e R e s s o n a n t e 1 E L E T R O N LASER 2 FÓTON 3 E L E T R O N 4 FÓTON Maior potência e diretividade LASER : Soma de fótons ressonantes (emissão estimulada) e sincronizados. (mesma fase, mesma direção e mesmo Comprimento de Onda = Saída de Energia Concentrada).

36 Fontes de luz para fibras LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Característica Potência de saída Corrente Potência acoplada Velocidade Padrão de emissão Largura de faixa Comprimentos de onda disponíveis Largura espectral Tipo de fibra Facilidade de manuseio Vida útil Custo LED Linearmente proporcional à corrente de excitação Corrente de excitação de 50 a 100 ma de pico Moderada Mais baixa Mais largo Moderada 660 a 1650 nm Maior (40 a 190 nm FWHM) Somente multimodo Fácil Mais longa Baixo (até 300 $) LASER Proporcional à corrente acima do limiar Corrente limiar de 5 a 40 ma Alta Mais alta Mais estreito Elevada 780 a 1650 nm Menor ( nm a 10 nm FWHM) Mono e multimodo Difícil Longa Alto (até $)

37 Fontes de luz para fibras LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Para comprimentos de onda menores, são construídos tipicamente com arsenieto de gálio alumínio. Para comprimentos de onda maiores são construídos geralmente de fosfito arsenieto de índio gálio. São sensíveis a temperatura, podendo ocorrer: alteração na corrente limiar alteração na eficiência diferencial (potência óptica por miliampère de corrente acrescentado acima do limiar), que geralmente diminui com o aumento de temperatura.

38 LASER Características que afetam o desempenho Comprimento de onda de pico Comprimento de onda no qual a fonte emite luz com a máxima potência. Os mais comuns são: 1310, 1550 e 1625 nm. Largura espectral Do ponto de vista ideal, a luz deveria ser emitida no mesmo comprimento de onda de pico. Na prática, a luz é emitida em uma faixa ao redor do valor de pico, denominada largura espectral. Padrão de emissão Forma como a energia está distribuída no espaço. Afeta a quantidade de luz a ser introduzida na fibra. A dimensão deve ser compatível com o diâmetro do núcleo.

39 LASER Características que afetam o desempenho Potência Os melhores resultados decorrem de um bom acoplamento entre a fibra e a fonte. A potência deve ser suficiente para compensar todas as perdas da fibra até o detector na recepção. Velocidade A fonte deve ser veloz o suficiente no apagamento e acendimento para atender as exigências do sistema. Especificada de acordo com o tempo de subida ou de descida do pulso (tempo necessário para que a potência varie de 10% a 90% do valor máximo. Linearidade Esta característica é muito mais rígida para transmissões de sinais analógicos, a exemplo do LED.

40 Fontes de luz para fibras LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Para o máximo desempenho é necessário um método de estabilização do limiar de corrente. Geralmente usa-se um foto-diodo para monitorar a saída de luz e fornecer realimentação para o excitador. a) LED b) Laser Existem dois tipos básicos de LASER: Fabri Perot (FP) mais econômicos, porém mais ruidosos e mais lentos. Realimentação distribuída (DFB = Distributed FeedBack) mais caros, porém quase monocromáticos, com menor ruído, melhor linearidade, menor largura espectral e mais velozes. São indicados nas aplicações de alta velocidade e na maioria das analógicas.

41 Fontes de luz para fibras LASER Energia refletida Os LASERS são susceptíveis a reflexão de energia na cavidade do diodo, com efeito no piso de ruído do dispositivo e na não-linearidade. Uma elevada reflexão pode causar severa instabilidade, inviabilizando algumas aplicações. A importância do controle da reflexão depende do tipo de informação a ser transmitida. Algumas reflexão ocorrem devido a própria construção. O fator de acoplamento entre o LASER e a fibra é um fator fortemente determinante na reflexão. Os dispositivos de maior potência são mais susceptíveis a energia refletida.

42 Excitadores analógicos para LASER A forma simples apresenta linearidade razoável e bom desempenho até 500 MHz. Q 1 funciona como estágio de transcondutância para tensões de entrada e correntes de saída. C 1 bloqueia a componente CC do sinal de entrada. R 1, geralmente de algumas dezenas de ohms, previne qualquer possibilidade de oscilação de Q 1. A parte analógica do sinal de entrada aparece na base e no emissor de Q 1. A corrente em R 2 será V in / R 2, aproximadamente, a qual irá modular a emissão do LASER. U 1 fornece corrente ao LASER com auxílio do foto-diodo PIN, o qual atua como sensor do LASER, em realimentação para U 1.

43 Excitadores analógicos para LASER A forma linear para altas freqüências é mais avançada e apresenta linearidade de boa a ótima em freqüências elevadas. U 2 proporciona ganho, casamento de impedância na entrada e isolamento do LASER contra condições externas. Z 1 casa a impedância de U 2, geralmente de 50 ou 75 ohms, com a do LASER, entre 5 e 25 ohms. A parte analógica do sinal de entrada aparece na base e no emissor de Q 1.

44 Excitadores digitais para LASER A forma simples opera em freqüências da ordem de várias dezenas de MHz. Devido à demanda para excitadores digitais, há uma grande variedade de circuitos integrados. U 2 memoriza os pulsos de entrada e fornece pulsos rápidos com subida e descida. C 2 deixa passar apenas a componente variável do pulso do sinal de entrada. R 5 casa a impedância com o LASER, atuando diretamente no catodo. L 1 garante a passagem da componente variável para o LASER, permitindo, também, a passagem de CC para o LASER.

45 Excitadores digitais para LASER A forma para alta velocidade pode operar em muitos gigabits por segundo. U2, diferentemente do exemplo do circuito anterior, está conectado a um amplificador diferencial, possibilitando a Q 3 atuar como fonte de corrente constante. O potenciômetro R 3 ajusta a corrente no coletor de Q 3, que, por sua vez, determina a corrente de modulação do LASER, em reposta aos 1 e 0. Para atuar em altas velocidades, os transistores Q1, Q2 e Q3 devem evitar trabalharem saturados.

46 Transmissor óptico típico Transmissor óptico para sinal de vídeo

47 Detectores ópticos para fibra Os detectores executam a função oposta à das fontes. Convertem sinais ópticos de volta à forma de impulsos elétricos. O detector mais comum é o foto-diodo a semicondutor, que gera corrente elétrica em resposta à luz incidente. Operam segundo o princípio de uma junção P-N, isto é, um foto incidindo sobre o diodo fornece a um elétron na banda de valência a energia suficiente para que se mova para a banda de condução, criando um par elétron-lacuna. Se o processo acima ocorre na região de depleção, os portadores irão se separar rapidamente, gerando uma corrente. Na medida em que os portadores atingem o limite da região de depleção, as forças elétricas diminuem e a corrente cessa. Foto-diodos comuns não são detectores eficientes. Os preferidos são o fotodiodo PIN e o foto-diodo avalanche, projetados para superar a deficiência dos detectores comuns.

48 Fotodetector Foto-diodo PIN (InGaAs/InP) : A junção é reversamente polarizada, provocando uma atração de elétrons e lacunas para longe da junção; Através da foto-ionização, os fótons geram portadores de carga que deverão ser movimentados por um campo elétrico e coletados para gerar corrente. Foto-diodo de avalanche - APD : Gera-se uma corrente secundária aumentando-se a tensão reversa aplicada; Esta corrente gera novos pares elétron-lacunas por colisões entre portadores de carga acelerados pelo campo elétrico; Os pares criados geram novos portadores, num processo conhecido como avalanche.

49 Fotodetector, LED e LASER Banda Proibida Fotodetetor LED LASER Banda de Condução 1 LUZ Banda de Valência 2 E L E T R O N 1 E L E T R O N 2 FÓTON C a v i d a d e R e s s o n a n t e 1 E L E T R O N 2 FÓTON 3 E L E T R O N 4 FÓTON A.P. + Diret. LASER : Soma de fótons ressonantes (emissão estimulada) e sincronizados. (mesma fase, mesma direção e mesmo Comprimento de Onda = Saída de Energia Concentrada).

50 Detectores ópticos Características importantes Sensibilidade Razão entre a saída de corrente e a entrada de luz. Eficiência quântica Razão entre os pares elétron-lacuna criados pelos fótons incidentes no material detector. Capacitância Função da área ativa e da tensão reversa do dispositivo. Tempo de resposta Tempo necessário para o foto-diodo responder às entradas ópticas e produzir corrente. Efeito de borda Os detectores só apresentam resposta rápida na região central, o que pode causar problema em caso de mau alinhamento entre a fibra e o detector.

51 Detectores ópticos Foto-diodo PIN A região de depleção é aumentada em relação ao fotodiodo comum, com a introdução de uma camada intrínseca ligeiramente dopada, o que permite a formação de uma quantidade maior de pares de portadores.

52 Detectores ópticos Foto-diodo Avalanche (APD) O detector APD opera como os portadores primários criados pelos fótons absorvidos, acelerados e adquirindo vários elétron-volt de energia cinética. A colisão dos portadores com átomos neutros faz com que os portadores acelerados usem parte da energia para romper a camada de valência. Aparecem pares livres denominados portadores secundários. O processo tem seqüência e é denominado fotomultiplicação, que pode atingir centenas de vezes.

53 Detectores ópticos Foto-diodo Avalanche (APD) O APD requer tensões elevadas, entre 30 e 70 V para InGaAs e acima de 300 V para os de silício, elevando a complexidade do circuito. O APD é muito sensível a variações de temperatura, o que aumenta a complexidade e reduz a confiabilidade em relação ao foto-diodo PIN. A única aplicação para o APD é em sistemas digitais devido à baixa linearidade. Em baixas velocidades, o foto-diodo PIN praticamente se equipara em desempenho ao APD. Para velocidades elevadas, porém, o APD ainda é imbatível. Parâmetro Materiais Faixa Comprimento de onda Eficiência de conversão Circuito adicional Custo (pronto para aplicar) PIN Si, Ge, InGaAs Até 40 GHz 0,6 a 1,8 µm 0,5 a 1,0 A/W Não Até US$ 500 APD Si, Ge, InGaAs Até 40 GHz 0,6 a 1,8 µm 0,5 a 100 A/W Alta tensão Estabilização de temperatura 100 a US$