Reetores ótos - sem ré-amlfação óta - Parâmetros-have dos dos reetores :: Sesbldade: otêa óta méda à etrada do reetor requerda ara uma determada robabldade de erro Parâmetro de sobrearga: otêa máxma que o reetor ode aetar à sua etrada Fotodetetores :: PIN PIN (Postve-Itrs-Negatve) APD APD (Avalahe Photo-Dodes) Díodos om olarzação versa O rojeto do ré-amlfador elétro basea-se um omromsso etre ruído e largura de bada Sstemas de Teleomuações Guados - ISCTE - Aetatos 11 1
Fotodetetores PIN são baseados uma jução om materal tríseo oloado etre os dos tos de semodutor. A jução é olarzada versamete. Regão de deleção Num fotodetetor deal or ada fotão dete a regão de absorção sera orgado um ar eletrão-laua a regão de deleção Fotodetetor real: real: Potêa óta dete, Resostvdade R R [A/W] λ ηq λ [ µ m] λ η hν 1.4 PIN η, R λ Fotoorrete, η η - efêa da oversão η (desgada or efêa quâta) é feror a 1 rtmo de geração de ares eletrão-laua rtmo dos fotões detes / q / hν q arga do eletrão 1.60 10-19 C h ostate de Plak 6.66 10-34 J s Sstemas de Teleomuações Guados - ISCTE - Aetatos 11
Ruído de fotodeteção A um fexe de luz om otêa P ót orresode a um fluxo médo de P ót /hv fotões or segudo. Porém o úmero de fotões detes um fotodetetor um determado tervalo de temo é uma gradeza aleatóra. fotões PIN η, R λ fotoorrete (t) temo temo O º de fotões detes um determado tervalo de temo T segue uma estatísta de Posso. A fotoorrete gerada aos termas do fotodetetor areseta uma omoete méda à qual aaree sobreosta uma omoete aleatóra q (t), desgada or ruído quâto (shot ose): Fotoorrete: Varâa do ( t) + ( t) R ( t) q λ + ruído quâto: σ HT ( f q qr λ Be, ) Be, H ( ) q 0 0 T df Ruído róro dos sstemas de omuação óta B e, Largura de bada equvalete de ruído da arte elétra do reetor óto Sstemas de Teleomuações Guados - ISCTE - Aetatos 11 3
Fotodetetores de avalahe ou APD fotoorrete: ( ) t Resostvdade: M R λ RAPD M Rλ M h Varâa do ruído quâto: Gaho de orrete determísto - deal σ qr M B q λ e, ηq ν Utlza um roesso de multlação or avalahe ara se obter um gaho M (omaratvamete ao PIN) a orrete à saída do fotodetetor PIN M 1 Gaho de orrete aleatóro - real ( ) σ qr F M M B q λ e, x ( ) M F M Fator de ruído do APD x 0.3-0.5 (S) x 0.5-0.8 (IGaAs) x 1 (Ge) Sstemas de Teleomuações Guados - ISCTE - Aetatos 11 4
PIN versus APD Vatages do APD vs PIN: Exstêa de uma gaho elevado a oversão óto-elétra. Desvatages do APD vs PIN: A lmtação do desemeho ode dar-se elo ruído quâto (o PIN, este ruído é desrezável sedo a lmtação geralmete mosta elo ruído de ruto). Estrutura mas omlexa (eessta da estrutura ode oorre a multlação em avalahe). Mas aro Sesbldade elevada das suas roredades (omo o gaho) à temeratura Meor fabldade Requer tesões de olarzação muto suerores (ara garatr a multlação em avalahe) Largura de bada mas lmtada Sstemas de Teleomuações Guados - ISCTE - Aetatos 11 5
Ruído de ruto Esquema smlfado do frot-ed: Tesão de olarzação Fotodetetor Correte de ruído quâto ( t) ( t) ( t) q + Correte de ruído de ruto Resstêa de olarzação, R b Pré-amlfador Valor quadráto médo do ruído de ruto : Desdade esetral de otêa de ruído de ruto: ( ) + ( ) + ( ) t t R t λ 4k B T f, e B e, Rb σ S 4k T,e Rb Fator de ruído do réamlfador elétro B ( f ) f [A / Hz] S Potêa equvalete de ruído (NEP): ( f ) NEP W / Hz R λ T: temeratura em ºK k B : ostate de Boltzma (1.38x10-3 J/K) Sstemas de Teleomuações Guados - ISCTE - Aetatos 11 6
Estatísta do sal detetado PIN : > σ σ σ σ + σ q APD : σ < q σ q Ruído de ruto domate Ruído quâto domate Estatísta do sal detetado (PIN) Potêa dete o PIN ara o bt 1 σ σ + σ q σ + σ q,1 σ + qrλ,1 Be, bt 1 σ + σ q,0 σ + qrλ,0 Be, bt 0 Potêa dete o PIN ara o bt 0 Assume-se uma estatísta gaussaa ara o sal detetado tato ara o bt 1 omo ara o bt 0 Bt 1 Méda I R 1 λ,1 σ Varâa σ + qr B 1 λ,1 e, Bt 0 I R 0 λ,0 σ σ + qr B 0 λ,0 e, Sstemas de Teleomuações Guados - ISCTE - Aetatos 11 7
Ilustração das estatístas ara os bts 1 e 0 Sal + ruído: dstrbução gaussaa da méda I 1 e desvo adrão σ 1 Sal + ruído: dstrbução gaussaa da méda I 0 e desvo adrão σ 0 Nota: tato a otêa do ruído quâto omo a do ruído de ruto são rooroas a B e, redução de B e, dstorção de sal (feho de dagrama de olho) Valores tíos: 0.5D b a 0.7D b Sstemas de Teleomuações Guados - ISCTE - Aetatos 11 8
Avalação do desemeho A robabldade méda de erro é dada or: ( ) ( ) P Pr 0 1 + Pr 1 0 e 1 0 Equrobabldade 1 P e Pr 0 1 + Pr 1 0 ( ) ( ) Pr(0 1) rob. dedr elo 0 tedo sdo evado 1 1 I1 I Pr ( 0 1) PrI + ( t ) < I erf σ1 D 1 D D Pr(1 0) rob. dedr elo 1 tedo sdo evado 0 1 I I Pr 1 0 Pr erf σ 0 D 0 ( ) I + ( t ) > I 0 D D P e 1 I D I 0 1 I1 I D erf + erf 4 σ 4 0 σ1 erf(x) e π x λ Q( x) dλ t D state de amostragem Sstemas de Teleomuações Guados - ISCTE - Aetatos 11 9
Parâmetro Q Lmar de desão ótmo: I D I0 I1 I σ σ 0 1 D I D σ I + σ I σ + σ 0 1 1 0 0 1 Se σ 1 σ 0 : 1 0 I D I + I Reetores om PIN (sem ré-amlfação óta) σ >> σ q Defção do arâmetro Q : I I 1 0 Q σ 0 + σ 1 QdB 0 log 10 ( Q) Probabldade de erro : P e 1 Q erf P e ( Q ) ex / ara Q > 3 Q π Sstemas de Teleomuações Guados - ISCTE - Aetatos 11 10
Sesbldade - reetores om PIN - A sesbldade do reetor,, é defda omo a otêa óta míma eessára ara obter um valor de BER esefado basta determar Q Para um reetor baseado um fotodetetor PIN, o ruído de ruto é domate (σ 1 σ 0 σ ) + 1+ r 1+ r,1,0 ext ext,0,1 rext Q I I 1 0,1,0 R λ σ 1 + σ 0 σ ( ) rext + 1 Q σ rext + 1 Q S f B r 1 R r 1 R ext λ ext λ e, Q 7; R λ 1 A/W; r ext D b.5 Gbt/s; B e,.5 GHz B D A sesbldade do reetor dmu om a raz e, b quadrada do débto báro Sesbldade 8 dbm D b 10 Gbt/s; B e, 10 GHz Sesbldade 5 dbm Sstemas de Teleomuações Guados - ISCTE - Aetatos 11 11
Sesbldade - reetores om APD - Para um reetor baseado um fotodetetor APD, o ruído quâto é domate sobre o ruído de ruto ( σ q >> σ ) I1 I0 Q,1 +,0 1+ rext 1+ rext σ 1 + σ 0,0,1 rext I R M I R M 0 λ,0 1 λ,1 σ ( ) 0 λ,0 e, σ qr F M M B ( ) qr F M M B 1 λ,1 e, ( + 1) ( ) Q rext qf M Be, R λ ( r 1) ext B D A sesbldade do reetor dmu e, b om o débto báro Para reetores om ruído quâto domate Sstemas de Teleomuações Guados - ISCTE - Aetatos 11 1
Pealdade de otêa Sesbldade em odções deas de fuoameto - zero ISI (dagrama de olho omletamete aberto) - razão de extção fta Sesbldade em odções reas de fuoameto - dagrama de olho aralmete fehado - razão de extção fta (devdo a lmtações do emssor óto) deal real > deal Pealdade de otêa Arésmo de otêa or ão se estar as odções deas de fuoameto P [db] 10 log 10 real deal da quato mas otêa se tem de ter à etrada do reetor ara garatr a mesma robabldade de erro Sstemas de Teleomuações Guados - ISCTE - Aetatos 11 13
Pealdade de otêa devdo à razão de extção Sesbldade em odções deas de fuoameto Razão de extção fta Sesbldade em odções reas de fuoameto (emssor óto real) Razão de extção fta Q σ R λ rext + 1 Q σ r 1 R λ ext Pealdade de otêa devdo à razão de extção (fotodetetor PIN) r r 1 ext ext + P [db] 10 log 10 10 log10 r ext rext 1 r ext a razão de extção míma reomedada elo ITU-T, r ext 6.6, oduz a uma ealdade de otêa devdo à razão de extção de 1.3dB Sstemas de Teleomuações Guados - ISCTE - Aetatos 11 14
Pealdade de otêa devdo à trasmssão - ath ealty - Cotablza todos os efetos dstorvos ausados ela trasmssão devdo à dsersão, efetos ão-leares da fbra, et Cotrbuções ara a ealdade devdo à dsersão assoada à largura esetral da fote assoada à largura de bada do sal modulado, λ M a ausêa de modulação, λ F [ db] [ db] P λ F P λ M Pealdade total devdo à dsersão P [db] P [db] + P [db] Dλ L λ λ F M o rojeto de lgações or fbra óta fxa-se um valor máxmo de dstorção que o sstema ode tolerar db [orresode à ealdade máxma devdo à dsersão] Sstemas de Teleomuações Guados - ISCTE - Aetatos 11 15
Pealdade de otêa devdo à dsersão assoada à largura esetral da fote ( λ M << λ F ) ( ) λ σ λ P [db] 5 log 1 4D D L F 10 b, F λ σ λ,f largura esetral r.m.s. da fote ara 4D D L σ < 1 b λ λ, F Fgura de mérto desta ealdade: F f D D L σ f 0.194 ara db F m b λ λ, F m P λ F Imõe a dstâa máxma de trasmssão e largura máxma esetral da fote assoada à largura de bada do sal modulado ( λ F << λ M ) ( α β ) ( β ) P [db] 5 log 1 8 LD + 8 LD M 10 b λ b α fator de erquemeto da largura esetral hr ulo Parâmetro de dsersão da velodade do gruo: β Dλ λo π Fgura de mérto desta ealdade: f M α 0 0.154 D D L λ fm π M α 6 f 0.011 M b λ o m m P λ ara M db Sstemas de Teleomuações Guados - ISCTE - Aetatos 11 16
Projeto de uma lgação óta oto-a-oto - sem amlfação óta - atrbu-se um valor à ealdade devdo à trasmssão de 1 a db e rojeta-se a lgação de aordo om essa ealdade P D λ L [db] db assegurar que o ível de otêa à etrada do reetor é sufete ara garatr a qualdade míma requerda, tedo em ota a ealdade devdo à trasmssão mosta o rmero rtéro P P A > r s t P P Potêa míma requerda o reetor obtda uma ofguração ostas-om-ostas Prmero rtéro: otablza o efeto devdo à dstorção Segudo rtéro: otablza as erdas e os íves de otêa o emssor e reetor requerdos ara uma dada qualdade Sstemas de Teleomuações Guados - ISCTE - Aetatos 11 17
Margem de fuoameto de uma lgação óta oto-a-oto Coetor N j jutas Coetor Emssor óto Troços de fbra Reetor óto [ ] P s Margem de fuoameto da lgação: M db P A P P f s t Dλ L Pr db L N t 1 L P r Lgação lmtada ela ateuação: Lgação lmtada ela dsersão: M f < 6 db P > db D λ L o rojeto deve assegurar que a lgação se matém om a qualdade retedda mesmo quado exstem flutuações desejáves das araterístas do sstema Margem míma de fuoameto 6 db Sstemas de Teleomuações Guados - ISCTE - Aetatos 11 18